JP2024500349A - Hydroformylation reaction method - Google Patents

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Abstract

本発明は、ヒドロホルミル化反応方法に関する。一態様では、ヒドロホルミル化反応方法は、(a)反応器内の均一触媒の存在下でオレフィンを水素及び一酸化炭素と接触させて反応流体を提供することであって、反応器は1つ以上の反応ゾーンを含む、ことと、(b)反応流体の一部分を第1の反応ゾーンから除去することと、(c)除去された反応流体の少なくとも一部分を剪断混合装置に通して、除去された反応流体の一部分の中に気泡を生成することであって、反応器に提供される水素及び一酸化炭素の少なくとも一部分が剪断混合装置を通して導入される、ことと、(d)除去された反応流体を、1つ以上のノズルを通して第1の反応ゾーンに戻すことであって、各ノズルから出る戻される反応流体はジェットである、ことと、を含み、ジェットによって反応器に提供される混合エネルギー密度が、500ワット/m3以上である。The present invention relates to a hydroformylation reaction method. In one aspect, a hydroformylation reaction method comprises: (a) contacting an olefin with hydrogen and carbon monoxide in the presence of a homogeneous catalyst in a reactor to provide a reaction fluid, the reactor comprising one or more reactors. (b) removing a portion of the reaction fluid from the first reaction zone; and (c) passing at least a portion of the removed reaction fluid through a shear mixing device to remove the removed reaction fluid. (d) creating bubbles in a portion of the reaction fluid, wherein at least a portion of the hydrogen and carbon monoxide provided to the reactor is introduced through a shear mixing device; and (d) the removed reaction fluid. through one or more nozzles to the first reaction zone, the returned reaction fluid exiting each nozzle being a jet, the mixing energy density provided to the reactor by the jets; is 500 watts/m3 or more.

Description

本発明は、全般に、ヒドロホルミル化反応方法に関する。 TECHNICAL FIELD This invention relates generally to hydroformylation reaction methods.

序論
ヒドロホルミル化とは、有機リン配位子で修飾された均一ロジウム触媒の存在下でのオレフィンとH及びCOとの反応であり、下記の式に従ってアルデヒドを生成する。
Introduction Hydroformylation is the reaction of olefins with H2 and CO in the presence of a homogeneous rhodium catalyst modified with organophosphorus ligands to produce aldehydes according to the formula below.

典型的には、ヒドロホルミル化反応は、合成ガス(HとCOのガス混合物)が液体オレフィン、生成物アルデヒド、重質物、及び均一ロジウム/配位子触媒を含む反応流体にスパージングされた液相で行われる。 Typically, hydroformylation reactions are carried out in a liquid phase in which synthesis gas (a gas mixture of H2 and CO) is sparged into a reaction fluid containing liquid olefins, product aldehydes, heavy materials, and a homogeneous rhodium/ligand catalyst. It will be held in

反応を起こすためには、HとCOを反応流体に溶解する必要があるため、効果的な気液混合がヒドロホルミル化反応の開始と維持の両方において重要である。 Effective gas-liquid mixing is important in both initiation and maintenance of the hydroformylation reaction, as H 2 and CO must be dissolved in the reaction fluid for the reaction to occur.

加えて、発熱性ヒドロホルミル化反応により発生する熱を除去し、反応器の温度を所望の反応条件で制御する必要がある。これは、典型的には、内部冷却コイルにより、若しくは、外部の熱交換器を介して反応流体を再循環させ、冷却された反応流体を反応器に戻すことにより、又はこれらの双方によって実現される。 In addition, it is necessary to remove the heat generated by the exothermic hydroformylation reaction and to control the reactor temperature at the desired reaction conditions. This is typically accomplished by internal cooling coils or by recycling the reaction fluid through an external heat exchanger and returning the cooled reaction fluid to the reactor, or both. Ru.

更に、上記のヒドロホルミル化反応と同じ条件下で、得られたアルデヒドが更に反応し、その場(in situ)で水素化されて対応するアルコールが得られてもよい。そして、アミノ化条件下でのヒドロホルミル化は、ヒドロホルミル化反応の変種とみなされ得る。 Furthermore, under the same conditions as the hydroformylation reaction described above, the aldehyde obtained may be further reacted and hydrogenated in situ to yield the corresponding alcohol. Hydroformylation under amination conditions can then be considered a variant of the hydroformylation reaction.

いくつかのヒドロホルミル化触媒の別の二次触媒活性は、二重結合(例えば、内部二重結合を有するオレフィン)の飽和炭化水素又はα-オレフィンへの水素化又は異性化、及びその逆である。反応器内の特定のヒドロホルミル化反応条件を確立し且つ維持するためには、これらのヒドロホルミル化触媒の二次反応を回避することが重要である。プロセスパラメーターからのわずかな偏差であっても、望まない二次生成物のかなりの量の形成につながる可能性があり、したがって、ヒドロホルミル化反応器内の反応液全体の体積にわたって実質的に同一のプロセスパラメーターを維持することは非常に重要なものであり得る。更に、合成ガスが充分に分散又は溶解されていない反応器内の容積は、反応にも反応器の生産性にも寄与しない。加えて、多くの加水分解可能な触媒は、反応温度で合成ガスの非存在下、触媒の劣化を示し、低分散又は溶解された合成ガスの領域は、触媒性能の低下に寄与する。あるいは、多くのロジウムホスフィン触媒は高CO環境で分解を示すため、過度に溶解された合成ガス濃度の領域も避ける必要がある。したがって、(高いガスの停滞又はガス分率によって決定されるように)高度に分散された均一なガス混合が最も望ましい結果である。概して、有機リン配位子で修飾された均一ロジウム触媒によるオレフィンのヒドロホルミル化においては、液体反応媒体に溶解した水素と一酸化炭素の最適な濃度を確立することが有利である。 Another secondary catalytic activity of some hydroformylation catalysts is the hydrogenation or isomerization of double bonds (e.g., olefins with internal double bonds) to saturated hydrocarbons or α-olefins, and vice versa. . In order to establish and maintain specific hydroformylation reaction conditions within the reactor, it is important to avoid secondary reactions of these hydroformylation catalysts. Even small deviations from the process parameters can lead to the formation of significant amounts of undesired secondary products, thus ensuring that virtually identical Maintaining process parameters can be very important. Furthermore, the volume within the reactor in which the syngas is not sufficiently dispersed or dissolved does not contribute to either the reaction or the productivity of the reactor. In addition, many hydrolyzable catalysts exhibit catalyst degradation in the absence of syngas at reaction temperatures, and regions of low dispersion or dissolved syngas contribute to reduced catalyst performance. Alternatively, areas of excessive dissolved syngas concentration also need to be avoided, as many rhodium phosphine catalysts exhibit decomposition in high CO environments. Therefore, highly dispersed and uniform gas mixing (as determined by high gas stagnation or gas fraction) is the most desirable outcome. Generally speaking, in the hydroformylation of olefins over homogeneous rhodium catalysts modified with organophosphorous ligands, it is advantageous to establish the optimal concentrations of hydrogen and carbon monoxide dissolved in the liquid reaction medium.

反応液中の溶存一酸化炭素(CO)の濃度は特に重要であり、ヒドロホルミル化反応器の重要な制御変数である。反応液中の溶存CO濃度を直接測定することはできないが、典型的には、オンライン分析装置を使用して監視及び近似させ、反応液相と平衡状態にあると推定される反応器の蒸気空間のCO分圧を測定する。この近似は、反応器内の反応流体がより均一に混合されて、古典的なCSTRモデルなどの完全に支持混合された(backed-mixed)反応混合物により良く近似する場合に改善される。 The concentration of dissolved carbon monoxide (CO) in the reaction solution is of particular importance and is an important control variable in hydroformylation reactors. Dissolved CO concentration in the reaction liquid cannot be measured directly, but is typically monitored and approximated using on-line analytical equipment, and is estimated to be in equilibrium with the reaction liquid phase in the reactor vapor space. Measure the CO partial pressure. This approximation is improved if the reaction fluids in the reactor are more uniformly mixed to better approximate a fully backed-mixed reaction mixture, such as the classical CSTR model.

高い変換率を達成するためには、米国特許第5,728,893号に記載されているものなどの複数のゾーンを有する反応器が好ましい。しかしながら、2つ以上の反応ゾーンを有する反応器では、上部空間のCO分圧を測定しても、上部ゾーンのCO濃度が示されるだけであり、必ずしも下部反応ゾーンのCO濃度が示されるとは限らない。このことは、上部反応ゾーンが逆混合(back-mixed)反応器でない場合により重要になる。後者の場合、可能な限り均一な及び/又は予測可能なCO分布を達成するためには、非逆混合反応ゾーンへの供給物が可能な限り均一であることが更により重要である。 To achieve high conversion rates, reactors with multiple zones, such as those described in US Pat. No. 5,728,893, are preferred. However, in reactors with two or more reaction zones, measuring the CO partial pressure in the headspace only indicates the CO concentration in the upper zone and not necessarily the CO concentration in the lower reaction zone. Not exclusively. This becomes more important if the upper reaction zone is not a back-mixed reactor. In the latter case, it is even more important that the feed to the non-backmixing reaction zone is as homogeneous as possible in order to achieve as uniform and/or predictable a CO distribution as possible.

炭化水素(パラフィン)形成反応、アルデヒドの高沸点縮合物(すなわち、高沸点物又は「重質物」)の形成、及び有機リン-ロジウム系触媒の分解速度もまた、反応温度の影響を受ける。逆混合反応器の場合、反応温度及び反応器内に存在する反応液の体積中の溶存COの濃度に関して勾配が形成されることを回避することが重要である。換言すれば、全液体体積にわたってほぼ同一の動作条件が確立され、維持されることが重要である。したがって、反応ゾーン内での反応物及び温度の不均一な分布を回避することが好ましい。しかしながら、プラグフロー反応器及び気泡反応器などの他の非逆混合反応器は勾配を有し、したがってこれらの反応器をこのように制御することはより困難であることが知られている。 The hydrocarbon (paraffin) forming reactions, the formation of high boiling condensates of aldehydes (ie, high boilers or "heavy products"), and the rate of decomposition of organophosphorus-rhodium based catalysts are also affected by the reaction temperature. In the case of backmix reactors, it is important to avoid the formation of gradients with respect to the reaction temperature and the concentration of dissolved CO in the volume of reaction liquid present in the reactor. In other words, it is important that substantially identical operating conditions be established and maintained throughout the entire liquid volume. Therefore, it is preferable to avoid non-uniform distribution of reactants and temperature within the reaction zone. However, other non-backmixing reactors such as plug flow reactors and bubble reactors are known to have gradients and therefore it is more difficult to control these reactors in this way.

合成ガスを供給し、良好な分配を確保する手段は、以前から認識されている。学術論文が、例えば撹拌速度に焦点を当てており、機械的撹拌器を使用しない逆混合反応器についての国際公開第2018/236823号に開示されている技術は、合成ガスの良好な分布が良好な反応性及び反応器性能にとって重要であることを教示している。 Means of supplying synthesis gas and ensuring good distribution have long been recognized. Academic papers have focused on stirring speed, for example, and the technology disclosed in WO 2018/236823 for back-mixing reactors without mechanical stirrers has shown that a good distribution of synthesis gas is possible. The study teaches that the process is important for high reactivity and reactor performance.

したがって、機械的撹拌器を使用せずに反応器内に高度に分散された均一な合成ガス及び温度分布を提供し、良好な初期合成ガス分布を確立するヒドロホルミル化反応器設計、好ましくはマルチゾーンヒドロホルミル化反応器設計を有することが望ましい。 Therefore, a hydroformylation reactor design, preferably multi-zone, that provides a highly dispersed and uniform syngas and temperature distribution within the reactor without the use of mechanical agitators and establishes good initial syngas distribution. It is desirable to have a hydroformylation reactor design.

本発明は、全般に、オレフィンを液相中で一酸化炭素及び水素ガスと反応させることによってアルデヒドを調製するヒドロホルミル化反応方法に関する。触媒の存在下、50℃~145℃の高温及び1~100バールの圧力の様々な実施形態で、これらのガスの一部分は反応液中に気泡の形態で分散され、別の部分は反応液中に溶解される。本発明の実施形態は、有利には、機械的撹拌器を使用せずに、反応器内での反応流体の徹底的な気液混合を提供することができる。 The present invention generally relates to a hydroformylation reaction process for preparing aldehydes by reacting olefins with carbon monoxide and hydrogen gas in the liquid phase. In the presence of a catalyst, in various embodiments at elevated temperatures from 50° C. to 145° C. and pressures from 1 to 100 bar, a portion of these gases is dispersed in the reaction liquid in the form of bubbles, and another portion is dispersed in the reaction liquid. dissolved in Embodiments of the present invention can advantageously provide thorough gas-liquid mixing of reaction fluids within the reactor without the use of mechanical agitators.

高速流体流を利用して、(1)合成ガスを微細気泡の十分に分布した流れとして導入し、(2)反応液に運動量及び剪断力を付与して、反応器内容物を混合するだけでなく合成ガス気泡を分散させることによって、気泡を均一に分布させて反応ゾーン全体を混合することができることが分かった。従来のベンチュリ気液混合反応器の設計のように反応器の上部に位置していないにもかかわらず、本発明の一部の実施形態では、反応器の流体全体が、反応器内のより高くより均一なガス分率又はガス負荷、及び一定かつ均一な温度によって証明されるように、目立って均一な温度及び気液混合を達成することができる。加えて、均一に混合された微細気泡は、ベンチュリ型反応器設計では困難である、気泡塔又はプラグフロー反応器などの非逆混合反応ゾーンへのプロセス流体の導入を容易にする。 Using high-velocity fluid flow, the reactor contents can be mixed simply by (1) introducing the synthesis gas as a well-distributed stream of microbubbles and (2) imparting momentum and shear to the reaction liquid. It has been found that by dispersing the syngas bubbles without any oxidation, the bubbles can be evenly distributed and mixed throughout the reaction zone. Although not located at the top of the reactor as in traditional Venturi gas-liquid mixing reactor designs, in some embodiments of the invention the entire reactor fluid is located higher within the reactor. Significantly uniform temperatures and gas-liquid mixing can be achieved, as evidenced by more uniform gas fractions or gas loads and constant and uniform temperatures. In addition, uniformly mixed microbubbles facilitate the introduction of process fluids into non-backmixing reaction zones such as bubble columns or plug flow reactors, which is difficult with venturi-type reactor designs.

一態様では、ヒドロホルミル化反応方法は、(a)反応器内の均一触媒の存在下でオレフィンをガス状水素及び一酸化炭素と接触させて反応流体を提供することであって、反応器は1つ以上の反応ゾーンを含む、ことと、(b)反応流体の一部分を第1の反応ゾーンから除去することと、(c)除去された反応流体の少なくとも一部分を剪断混合装置に通して、除去された反応流体の一部分の中に気泡を生成することであって、反応器に提供される水素及び一酸化炭素の少なくとも一部分が剪断混合装置を通して導入される、ことと、(d)除去された反応流体を、1つ以上のノズルを通して第1の反応ゾーンに戻すことであって、各ノズルから出る戻される反応流体はジェットである、ことと、を含み、ジェットによって反応器に提供される混合エネルギー密度が、以下の式: In one aspect, a hydroformylation reaction method comprises: (a) contacting an olefin with gaseous hydrogen and carbon monoxide in the presence of a homogeneous catalyst in a reactor to provide a reaction fluid, the reactor comprising: (b) removing a portion of the reaction fluid from the first reaction zone; and (c) passing at least a portion of the removed reaction fluid through a shear mixing device to remove the reaction fluid. (d) generating gas bubbles in a portion of the reactant fluid that has been removed, wherein at least a portion of the hydrogen and carbon monoxide provided to the reactor is introduced through a shear mixing device; returning the reaction fluid to the first reaction zone through one or more nozzles, the returned reaction fluid exiting each nozzle being a jet, the mixing provided by the jet to the reactor; The energy density is given by the following formula:

(式中、Vは、第1の反応ゾーン内の反応流体の体積(m)であり、Nは、各ジェットがi=1からi=N(1刻み)までの自然数を使用して一意に識別されるような、第1の反応ゾーンに戻されるジェットの総数であり、ρは、i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される反応流体のノズルポートにおける平均密度(kg/m)であり、Qは、i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される反応流体の体積流量(m/s)であり、Aは、反応流体が流れるi番目のノズルの、反応流体がノズルを出て第1の反応ゾーンに入る位置での断面積(m)である)を満たす。 (where V is the volume of reaction fluid in the first reaction zone (m 3 ) and N is the volume of reaction fluid in the first reaction zone (m 3 ), and N is the is the total number of jets returned to the first reaction zone, as identified in , and ρ i is the average density (kg /m 3 ), Q i is the volumetric flow rate (m 3 /s) of the reaction fluid returned to the first reaction zone through the i-th jet, and A i is the volumetric flow rate (m 3 /s) of the reaction fluid flowing through the i-th of the nozzle at the location where the reaction fluid exits the nozzle and enters the first reaction zone (m 2 ).

これら及び他の実施形態は、「発明を実施するための形態」において、より詳細に説明される。 These and other embodiments are described in more detail in the Detailed Description.

本発明の一実施形態によるヒドロホルミル化反応方法に使用することができるヒドロホルミル化反応器及び関連機器の一例を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an example of a hydroformylation reactor and related equipment that can be used in a hydroformylation reaction method according to an embodiment of the present invention. 本発明の一部の実施形態による、ノズルが反応器内で配向され得る角度及び他のパラメータを示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the angles and other parameters at which a nozzle may be oriented within a reactor, according to some embodiments of the invention. 本発明の一部の実施形態で使用することができる剪断混合装置の2つの実施形態を示し、「G」は、剪断混合装置に入るガスを表し、「L」は、剪断混合装置に入る液体を表す。Illustrated are two embodiments of shear mixing devices that may be used in some embodiments of the present invention, where “G” represents gas entering the shear mixing device and “L” represents liquid entering the shear mixing device. represents. 本発明の一部の実施形態による、反応器内のノズルの異なる位置、ジェットに対する1つ以上のドーナツバッフルの異なる位置、及びノズルから出るジェットの角度を示す一連の図である。2 is a series of views showing different positions of a nozzle within a reactor, different positions of one or more donut baffles relative to the jet, and the angle of the jet exiting the nozzle, according to some embodiments of the invention. FIG. 比較例A並びに本発明の実施例1及び2のガス体積分率色分け図を示す。1 shows a gas volume fraction color-coded diagram of Comparative Example A and Examples 1 and 2 of the present invention. 比較例A並びに本発明の実施例1及び2の物質移動係数(KLa)の平均値の色分け図を示す。A color-coded diagram of average values of mass transfer coefficients (KLa) of Comparative Example A and Examples 1 and 2 of the present invention is shown.

ヒドロホルミル化方法は、概して、成分として遷移金属及び有機リン配位子を含む触媒の存在下で、少なくとも1種のアルデヒド生成物を形成するのに十分なヒドロホルミル化条件下で、CO、H、及び少なくとも1種のオレフィンを接触させることを含む。任意選択の方法成分には、アミン及び/又は水が含まれる。 Hydroformylation processes generally involve CO, H 2 , and at least one olefin. Optional process components include amines and/or water.

元素の周期表およびその中の様々な族に対する全ての言及は、CRC Handbook of Chemistry and Physics,72nd Ed.(1991-1992)CRC Press、page I-10で公開されたバージョンに対する。 All references to the Periodic Table of Elements and the various groups therein can be found in the CRC Handbook of Chemistry and Physics, 72nd Ed. (1991-1992) to the version published in CRC Press, page I-10.

反対のことが記述されていない限り、又は文脈から黙示的でない限り、全ての部及び百分率は重量に基づくものであり、全ての試験方法は本出願の出願日現在のものである。本明細書で使用される場合、「ppmw」という用語は、重量百万分率を意味する。米国特許実務の目的のために、任意の参照される特許、特許出願又は公開の内容は、特に定義の開示(具体的に本開示で提供されるいずれの定義とも矛盾しない範囲)及び当該技術分野での全般的知識に関して、参照によりそれらの全体が組み込まれる(又はその同等の米国版がそのように参照により組み込まれる)。 Unless stated to the contrary or implied by context, all parts and percentages are by weight and all test methods are as of the filing date of this application. As used herein, the term "ppmw" means parts per million by weight. For purposes of U.S. patent practice, the content of any referenced patent, patent application, or publication shall include, among other things, the disclosure of definitions (to the extent not inconsistent with any definitions specifically provided in this disclosure) and the art in the art. (or equivalent U.S. versions thereof) are incorporated by reference in their entirety.

本明細書で使用される場合、「a」、「an」、「the」、「少なくとも1つ」、及び「1つ以上」は互換的に使用される。「含む(comprise)」、「含む(include)」、およびそれらの変形は、これらの用語が明細書および特許請求の範囲に現れる場合に限定的な意味を有しない。したがって、例えば、「a」疎水性ポリマーの粒子を含む水性組成物は、組成物が「1つ以上の」疎水性ポリマーの粒子を含むことを意味すると解釈することができる。 As used herein, "a," "an," "the," "at least one," and "one or more" are used interchangeably. The words "comprise", "include", and variations thereof do not have a limiting meaning when these terms appear in the specification and claims. Thus, for example, an aqueous composition comprising "a" particles of a hydrophobic polymer can be interpreted to mean that the composition comprises "one or more" particles of a hydrophobic polymer.

また、本明細書において、端点による数値範囲の列挙は、その範囲に包含される全ての数を含む(例えば、1~5は、1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、5などを含む)。本発明の目的のために、当業者が理解することと一致して、数値範囲は、その範囲に含まれる可能性のある全ての部分範囲を含み、かつ支持することを意図することを理解されたい。例えば、1~100の範囲は、1.01~100、1~99.99、1.01~99.99、40~60、1~55などを伝達することを意図している。 Also, herein, the recitation of numerical ranges by endpoints includes all numbers subsumed within that range (eg, 1 to 5 is 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3, etc.). 80, 4, 5, etc.). For purposes of this invention, consistent with the understanding of those skilled in the art, numerical ranges are understood to be intended to include and support all subranges that may be subsumed within that range. sea bream. For example, a range of 1 to 100 is intended to convey 1.01 to 100, 1 to 99.99, 1.01 to 99.99, 40 to 60, 1 to 55, and so on.

本明細書で使用されるとき、用語「ヒドロホルミル化」は、限定されるものではないが、1つ以上の置換若しくは非置換オレフィン系化合物又は1つ以上の置換若しくは非置換オレフィン系化合物を含む反応混合物を、1つ以上の置換又は非置換アルデヒド又は1つ以上の置換若しくは非置換アルデヒドを含む反応混合物に変換することを伴う、全ての許容される非対称及び非対称でないヒドロホルミル化方法を含むことが意図される。 As used herein, the term "hydroformylation" refers to, but is not limited to, one or more substituted or unsubstituted olefinic compounds or a reaction involving one or more substituted or unsubstituted olefinic compounds. Intended to include all permissible asymmetric and non-asymmetric hydroformylation processes that involve converting a mixture into one or more substituted or unsubstituted aldehydes or a reaction mixture containing one or more substituted or unsubstituted aldehydes. be done.

本明細書において、用語「反応流体」、「反応媒体」、及び「触媒溶液」は互換的に使用され、(a)金属-有機リン配位子錯体触媒、(b)遊離有機リン配位子、(c)反応において形成されるアルデヒド生成物、(d)未反応の反応物(例えば、水素、一酸化炭素、オレフィン)、(e)前述の金属-有機リン配位子錯体触媒及び前述の遊離有機リン配位子のための溶媒、並びに、任意選択的に、(f)反応において形成される酸化物及びリン酸性化合物などの1つ以上の配位子分解生成物(均一又は不均一であってもよく、これらの化合物は、プロセス機器の表面に付着したものを含む)を含み得るがこれらに限定されない。反応流体はガスと液体の混合物であり得ることを理解すべきである。例えば、反応流体は、液体内に同伴される気泡(例えば、水素及び/又はCO及び/又は不活性物質)又は液体に溶解したガス(例えば、水素及び/又はCO及び/又は不活性物質)を含み得る。反応流体は、限定されないが、(a)反応ゾーン内の流体、(b)分離ゾーンへ向かう途中の流体流、(c)分離ゾーン内の流体、(d)再循環流、(e)反応ゾーン又は分離ゾーンから引き出された流体、(f)緩衝水溶液で処理された引き出された流体、(g)反応ゾーン又は分離ゾーンに戻された処理された流体、(h)外部冷却器内へ向かう途中の流体、(i)外部冷却器内の流体、(j)外部冷却器から反応ゾーンに戻される流体、並びに(k)配位子分解生成物及びそれらの塩、を含むことができる。 As used herein, the terms "reaction fluid," "reaction medium," and "catalyst solution" are used interchangeably and refer to (a) a metal-organophosphorus ligand complex catalyst, (b) a free organophosphorus ligand. , (c) aldehyde products formed in the reaction, (d) unreacted reactants (e.g., hydrogen, carbon monoxide, olefins), (e) the aforementioned metal-organophosphorus ligand complex catalyst and the aforementioned a solvent for the free organophosphorus ligand and, optionally, (f) one or more ligand decomposition products (homogeneous or heterogeneous) such as oxides and phosphoric compounds formed in the reaction. These compounds may include, but are not limited to, those deposited on the surfaces of process equipment. It should be understood that the reaction fluid can be a mixture of gas and liquid. For example, the reaction fluid may contain gas bubbles (e.g., hydrogen and/or CO and/or inert substances) entrained within the liquid or gases (e.g., hydrogen and/or CO and/or inert substances) dissolved in the liquid. may be included. The reaction fluid includes, but is not limited to, (a) fluid within the reaction zone, (b) fluid flow en route to the separation zone, (c) fluid within the separation zone, (d) recirculation flow, (e) reaction zone. or fluid withdrawn from the separation zone, (f) withdrawn fluid treated with an aqueous buffer solution, (g) treated fluid returned to the reaction zone or separation zone, (h) on its way into an external cooler. (i) fluid in the external cooler, (j) fluid returned from the external cooler to the reaction zone, and (k) ligand decomposition products and their salts.

本明細書で使用される場合、複数の反応ゾーン反応器又は反応列における「第1の反応ゾーン」という用語は、触媒の大半が導入される反応ゾーン(例えば、本発明の一部ではない上流反応器からの再循環触媒又は触媒含有反応流体)を指す。「第2の反応ゾーン」は、触媒の大半が第1の反応ゾーンから第2の反応ゾーンに流れるという点で、第1の反応ゾーンに続き、以下同様である。このタイプの反応スキームの利点は、米国特許第5,728,893号に記載されている。本発明の目的のために、用語「第1の反応ゾーン」は、オレフィン、合成ガス、及び触媒の大部分が反応器に導入される反応ゾーンに関する。次いで、この第1の反応ゾーンを出る反応流体の大部分は、中間配管なしで有孔板を通って「第2の反応ゾーン」に輸送される。この文脈において、「第1」及び「第2」は、この反応器中の触媒の大半がたどる経路に関連し、本発明に含まれないこの反応器本体の前に反応ゾーンが存在し得ることが認識される。 As used herein, the term "first reaction zone" in a multiple reaction zone reactor or reaction train refers to the reaction zone where the majority of the catalyst is introduced (e.g., an upstream reaction zone that is not part of this invention). Recycled catalyst or catalyst-containing reaction fluid from the reactor). A "second reaction zone" follows the first reaction zone, and so on, in that the majority of the catalyst flows from the first reaction zone to the second reaction zone. The advantages of this type of reaction scheme are described in US Pat. No. 5,728,893. For the purposes of the present invention, the term "first reaction zone" refers to the reaction zone where the majority of the olefins, synthesis gas, and catalyst are introduced into the reactor. The majority of the reaction fluid leaving this first reaction zone is then transported through the perforated plate to the "second reaction zone" without intermediate piping. In this context, "first" and "second" relate to the path followed by the majority of the catalyst in this reactor, and that there may be a reaction zone before this reactor body which is not included in the present invention. is recognized.

本発明は、概して、オレフィンを液相中で一酸化炭素及び水素ガスと反応させることによってアルデヒドを調製するヒドロホルミル化反応方法に関する。本発明の実施形態は、一酸化炭素及び/又は水素ガスの少なくとも一部分を、反応流体中に小さな気泡の形態で有利に分散させる。一部の実施形態では、本発明の方法は、機械的撹拌器を使用せずに反応流体の徹底的な気液混合を有利に提供することができる。 The present invention generally relates to a hydroformylation reaction process for preparing aldehydes by reacting olefins with carbon monoxide and hydrogen gas in the liquid phase. Embodiments of the invention advantageously disperse at least a portion of the carbon monoxide and/or hydrogen gas in the form of small bubbles within the reaction fluid. In some embodiments, the methods of the present invention can advantageously provide thorough gas-liquid mixing of reaction fluids without the use of mechanical agitators.

一実施形態では、本発明のヒドロホルミル化方法は、(a)反応器内の均一触媒の存在下でオレフィン、水素、及び一酸化炭素を接触させて反応流体を提供することであって、反応器は1つ以上の反応ゾーンを含む、ことと、(b)反応流体の一部分を第1の反応ゾーンから除去することと、(c)除去された反応流体の少なくとも一部分を剪断混合装置に通して、除去された反応流体の一部分の中に気泡を生成することであって、反応器に提供される水素及び一酸化炭素の少なくとも一部分が剪断混合装置を通して導入される、ことと、(d)除去された反応流体を、1つ以上のノズルを通して第1の反応ゾーンに戻すことであって、各ノズルから出る戻される反応流体はジェットである、ことと、を含み、ジェットによって反応器に提供される混合エネルギー密度が、以下の式: In one embodiment, the hydroformylation method of the present invention comprises: (a) contacting an olefin, hydrogen, and carbon monoxide in the presence of a homogeneous catalyst in a reactor to provide a reaction fluid, the method comprising: (b) removing a portion of the reaction fluid from the first reaction zone; and (c) passing at least a portion of the removed reaction fluid through a shear mixing device. (d) generating bubbles in a portion of the removed reaction fluid, wherein at least a portion of the hydrogen and carbon monoxide provided to the reactor is introduced through a shear mixing device; returning the returned reaction fluid to the first reaction zone through one or more nozzles, the returned reaction fluid exiting each nozzle being a jet, the returned reaction fluid being provided to the reactor by the jet. The mixing energy density is given by the following formula:

(式中、Vは、第1の反応ゾーン内の反応流体の体積(m)であり、Nは、各ジェットがi=1からi=N(1刻み)までの自然数を使用して一意に識別されるような、第1の反応ゾーンに戻されるジェットの総数であり、ρは、i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される反応流体のノズルポートにおける平均密度(kg/m)であり、Qは、i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される反応流体の体積流量(m/s)であり、Aは、反応流体が流れるi番目のノズルの、反応流体がノズルを出て第1の反応ゾーンに入る位置での断面積(m)である)を満たす。一部の実施形態では、剪断混合装置を通して反応器に提供される水素及び一酸化炭素に加えて、不活性ガス(例えば、メタン、CO、アルゴン、窒素など)もまた、剪断混合装置を通して反応器に提供される合成ガス中に存在してもよい。一部の実施形態では、剪断混合装置によって生成される気泡の平均気泡サイズは、10ナノメートル~3,000ミクロンである。一部の実施形態では、剪断混合装置によって生成される気泡の平均気泡サイズは、100ミクロン~800ミクロンである。 (where V is the volume of reaction fluid in the first reaction zone (m 3 ) and N is the volume of reaction fluid in the first reaction zone (m 3 ), and N is the is the total number of jets returned to the first reaction zone, as identified in , and ρ i is the average density (kg /m 3 ), Q i is the volumetric flow rate (m 3 /s) of the reaction fluid returned to the first reaction zone through the i-th jet, and A i is the volumetric flow rate (m 3 /s) of the reaction fluid flowing through the i-th of the nozzle at the location where the reaction fluid exits the nozzle and enters the first reaction zone (m 2 ). In some embodiments, in addition to the hydrogen and carbon monoxide provided to the reactor through the shear mixer, an inert gas (e.g., methane, CO2 , argon, nitrogen, etc.) is also provided to the reactor through the shear mixer. may be present in the synthesis gas provided to the vessel. In some embodiments, the average bubble size of the bubbles produced by the shear mixing device is between 10 nanometers and 3,000 microns. In some embodiments, the average bubble size of the bubbles produced by the shear mixing device is between 100 microns and 800 microns.

剪断混合装置を通る反応流体の流量は、反応流体の適切な混合を促進するために重要であり得る。一実施形態では、剪断混合装置を通る反応流体の流量は、以下:
SM>525(μ/ρ)PSM
(式中、qSMは、剪断混合装置に入る反応流体の流量(m/s)であり、ρは、剪断混合装置に入る前の反応流体の密度(kg/m)であり、μは、剪断混合装置に入る前の反応流体の粘度(Pa・s)であり、PSMは、剪断混合装置内部の液体流の断面の最小湿潤周囲長である)を満たす。
The flow rate of the reaction fluid through the shear mixing device can be important to promote proper mixing of the reaction fluid. In one embodiment, the flow rate of the reactant fluid through the shear mixing device is:
q SM >525 (μ oo ) P SM
(where q SM is the flow rate of the reaction fluid entering the shear mixing device (m 3 /s), ρ o is the density of the reaction fluid before entering the shear mixing device (kg/m 3 ), μ o is the viscosity of the reaction fluid before entering the shear mixing device (Pa·s) and P SM is the minimum wetted perimeter of the cross section of the liquid flow inside the shear mixing device.

一部の実施形態では、除去された反応流体は、少なくとも2つのノズルを通って第1の反応流体に戻され、各ノズルは、水平面に対するノズルの角度(アルファ)が+75°~-75°であるように配向され、アルファ、反応器の中心を通る垂直面に対するノズルの角度(ベータ)、及びベータがゼロである場合に反応器の中心を通る垂直面からの距離(ファイ)が全て非ゼロである。 In some embodiments, the removed reaction fluid is returned to the first reaction fluid through at least two nozzles, each nozzle having an angle (alpha) of the nozzle with respect to the horizontal plane between +75° and −75°. oriented such that alpha, the angle of the nozzle with respect to the vertical plane passing through the center of the reactor (beta), and the distance from the vertical plane passing through the center of the reactor (phi) if beta is zero are all non-zero. It is.

一部の実施形態では、水素及び一酸化炭素が合成ガスとして提供され、第1の反応ゾーンに提供される合成ガスの少なくとも20%が、第1の反応ゾーンに入る前に剪断混合装置を通過する。 In some embodiments, hydrogen and carbon monoxide are provided as syngas, and at least 20% of the syngas provided to the first reaction zone passes through a shear mixing device before entering the first reaction zone. do.

一部の実施形態では、合成ガスの少なくとも一部分が、第1の反応ゾーンの反応流体充填高さの50%未満の高さでスパージャを通して円筒型の反応器内に導入される。 In some embodiments, at least a portion of the synthesis gas is introduced into the cylindrical reactor through the sparger at a height that is less than 50% of the reaction fluid fill height of the first reaction zone.

一部の実施形態では、反応器は、反応器の内壁に取り付けられた水平に配向されたリングバッフルを含み、リングバッフルは、第1の反応ゾーン内の液体反応流体の高さの90%未満の高さに配置され、リングバッフルの中実部分が、反応器の直径の5~30%に及ぶ。 In some embodiments, the reactor includes a horizontally oriented ring baffle attached to the interior wall of the reactor, the ring baffle being less than 90% of the height of the liquid reaction fluid in the first reaction zone. The solid portion of the ring baffle spans 5-30% of the reactor diameter.

一部の実施形態では、撹拌器が反応器内に配置される。一部の実施形態では、撹拌器は動作しない。一部の実施形態では、撹拌器及び戻される反応流体は、円筒型の反応器内に混合エネルギー密度を提供する。 In some embodiments, a stirrer is placed within the reactor. In some embodiments, the agitator is not operational. In some embodiments, the agitator and returned reaction fluid provide a mixing energy density within the cylindrical reactor.

一部の実施形態では、反応器は垂直に配向される。 In some embodiments, the reactor is vertically oriented.

反応器は、一部の実施形態では、第2の反応ゾーンを更に含み、反応流体は、配管なしで第1の反応ゾーンから第2の反応ゾーンに流れる。一部の更なる実施形態では、第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンとは、有孔板によって分離される。反応器は、一部の実施形態では、第3の反応ゾーンを更に含み、反応流体は、配管なしで第2の反応ゾーンから第3の反応ゾーンに流れる。一部の更なる実施形態では、第2の反応ゾーンと第3の反応ゾーンとは、有孔板によって分離される。 The reactor, in some embodiments, further includes a second reaction zone, and the reaction fluid flows from the first reaction zone to the second reaction zone without piping. In some further embodiments, the first reaction zone and the second reaction zone are separated by a perforated plate. The reactor, in some embodiments, further includes a third reaction zone, and the reaction fluid flows from the second reaction zone to the third reaction zone without piping. In some further embodiments, the second reaction zone and the third reaction zone are separated by a perforated plate.

一部の実施形態では、反応器は、反応器の下部分に配置された生成物出口ノズルと、反応器の底部容積内に配置された、ガス同伴を防止するための手段と、を含む。 In some embodiments, the reactor includes a product outlet nozzle located in the lower portion of the reactor and a means for preventing gas entrainment located in the bottom volume of the reactor.

本発明のヒドロホルミル化方法は、反応器内の均一触媒の存在下でオレフィン、水素、及び一酸化炭素を接触させて反応流体を提供することであって、反応器は1つ以上の反応ゾーンを含む、ことを含む。 The hydroformylation process of the present invention involves contacting an olefin, hydrogen, and carbon monoxide in the presence of a homogeneous catalyst in a reactor to provide a reaction fluid, the reactor having one or more reaction zones. include, contain.

水素及び一酸化炭素は、石油分解(クラッキング)及び精製作業を含む任意の好適な供給源から取得してもよい。合成ガス混合物は、水素及びCOの好ましい供給源である。合成ガス(syngas)(合成ガス(synthesis gas))は、様々な量のCO及びHを含有するガス混合物に与えられる名称である。生成方法は、よく知られている。水素及びCOは、典型的には、合成ガスの主成分であるが、合成ガスは、CO並びにN及びArなどの不活性ガスを含有し得る。HのCOに対するモル比は大きく変動するが、概ね1:100~100:1、通常は1:10~10:1の範囲である。合成ガスは、市販されており、多くの場合、燃料源として、又は他の化学物質の生成のための中間体として使用される。化学生成のためのH:COモル比は、多くの場合、3:1~1:3であり、通常、ほとんどのヒドロホルミル化用途のためには約1:2~2:1が目標とされる。 Hydrogen and carbon monoxide may be obtained from any suitable source, including petroleum cracking and refining operations. Syngas mixture is the preferred source of hydrogen and CO. Syngas (synthesis gas) is the name given to gas mixtures containing varying amounts of CO and H2 . The generation method is well known. Hydrogen and CO are typically the main components of syngas, but syngas may contain CO2 and inert gases such as N2 and Ar. The molar ratio of H 2 to CO varies widely, but generally ranges from 1:100 to 100:1, usually from 1:10 to 10:1. Synthesis gas is commercially available and is often used as a fuel source or as an intermediate for the production of other chemicals. The H 2 :CO molar ratio for chemical production is often between 3:1 and 1:3, with about 1:2 to 2:1 typically targeted for most hydroformylation applications. Ru.

ヒドロホルミル化方法の典型的な実施形態では、溶媒が有利に用いられる。ヒドロホルミル化方法を過度に妨害しない任意の好適な溶媒を使用してもよい。実例として、ロジウム触媒によるヒドロホルミル化方法に好適な溶媒としては、例えば、米国特許第3,527,809号、同第4,148,830号、同第5,312,996号、及び同第5,929,289号に開示されているものが挙げられる。好適な溶媒の非限定的な例としては、飽和炭化水素(アルカン)、芳香族炭化水素、水、エーテル、アルデヒド、ケトン、ニトリル、アルコール、エステル、及びアルデヒド縮合生成物が挙げられる。溶媒の具体的な例としては、テトラグライム、ペンタン、シクロヘキサン、ヘプタン、ベンゼン、キシレン、トルエン、ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン、ブチルアルデヒド、及びベンゾニトリルが挙げられる。有機溶媒はまた、飽和限界までの溶解水を含有し得る。例示的な好ましい溶媒としては、ケトン(例えば、アセトン及びメチルエチルケトン)、エステル(例えば、酢酸エチル、ジ-2-エチルヘキシルフタレート、2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオールモノイソブチレート)、炭化水素(例えば、トルエン)、ニトロ炭化水素(例えば、ニトロベンゼン)、エーテル(例えば、テトラヒドロフラン(THF))、及びスルホランが挙げられる。ロジウム触媒によるヒドロホルミル化方法では、例えば、米国特許第4,148,830号及び同第4,247,486号に記載されているように、生成されることが望まれるアルデヒド生成物、及び/又は、例えば、ヒドロホルミル化方法中にその場で生成され得るより高沸点のアルデヒド液体縮合副生成物に対応するアルデヒド化合物を主な溶媒として採用することが望ましい場合がある。主な溶媒は、通常は最終的に、連続方法の性質上、アルデヒド生成物とより高沸点のアルデヒド液体縮合副生成物(「重質物」)の両方を含む。溶媒の量は特に重要なものではなく、反応媒体に所望の量の遷移金属濃度を提供するのに十分であればよい。典型的には、溶媒の量は、反応流体の総重量に基づいて、約5重量パーセント~約95重量パーセントの範囲である。溶媒の混合物を用いてもよい。 In typical embodiments of the hydroformylation process, a solvent is advantageously used. Any suitable solvent that does not unduly interfere with the hydroformylation process may be used. By way of illustration, suitable solvents for rhodium-catalyzed hydroformylation processes include, for example, U.S. Pat. , 929,289. Non-limiting examples of suitable solvents include saturated hydrocarbons (alkanes), aromatic hydrocarbons, water, ethers, aldehydes, ketones, nitriles, alcohols, esters, and aldehyde condensation products. Specific examples of solvents include tetraglyme, pentane, cyclohexane, heptane, benzene, xylene, toluene, diethyl ether, tetrahydrofuran, butyraldehyde, and benzonitrile. Organic solvents may also contain dissolved water up to saturation limits. Exemplary preferred solvents include ketones (e.g., acetone and methyl ethyl ketone), esters (e.g., ethyl acetate, di-2-ethylhexyl phthalate, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol monoisobutyrate). , hydrocarbons (eg, toluene), nitrohydrocarbons (eg, nitrobenzene), ethers (eg, tetrahydrofuran (THF)), and sulfolane. In rhodium-catalyzed hydroformylation processes, the aldehyde product desired to be produced and/or For example, it may be desirable to employ as the main solvent an aldehyde compound corresponding to the higher boiling aldehyde liquid condensation by-product that can be produced in situ during the hydroformylation process. The primary solvent usually ends up containing both the aldehyde product and the higher boiling aldehyde liquid condensation by-product (the "heavies") due to the nature of the continuous process. The amount of solvent is not critical, as long as it is sufficient to provide the desired amount of transition metal concentration in the reaction medium. Typically, the amount of solvent ranges from about 5 weight percent to about 95 weight percent, based on the total weight of the reaction fluids. Mixtures of solvents may also be used.

本発明の実施形態は、遊離有機リン配位子の存在下で行われる、アルデヒドを製造するための従来の連続混合気相/液相CSTRロジウム-リン錯体触媒ヒドロホルミル化方法の改善に適用可能である。そのようなヒドロホルミル化方法(「オキソ」方法とも称する)及びその条件は、例えば、米国特許第4,148,830号の連続液体再循環方法、米国特許第4,599,206号及び同第4,668,651号のホスファイトベースの方法によって例示されるように、当技術分野で周知である。また、米国特許第5,932,772号及び同第5,952,530号に記載されているものなどの方法も含まれる。そのようなヒドロホルミル化方法は、概して、可溶性ロジウム-有機リン錯体触媒、遊離有機リン配位子、及びより高沸点のアルデヒド縮合副生成物を含む液体反応媒体中で、オレフィン化合物を水素及び一酸化炭素ガスと反応させることによるアルデヒドの生成を伴う。概して、遊離金属として算出される、約10重量ppm~約1000重量ppmの範囲のロジウム金属濃度は、ほとんどのヒドロホルミル化方法において十分である。いくつかの方法では、遊離金属として算出される約10~700重量ppmのロジウム、多くの場合、25~500重量ppmのロジウムが使用される。 Embodiments of the present invention are applicable to improving the conventional continuous mixed gas/liquid phase CSTR rhodium-phosphorus complex catalyzed hydroformylation process for producing aldehydes, conducted in the presence of free organophosphorus ligands. be. Such hydroformylation processes (also referred to as "oxo" processes) and their conditions are described, for example, in the continuous liquid recirculation process of U.S. Pat. No. 4,148,830, in U.S. Pat. , 668,651, are well known in the art. Also included are methods such as those described in US Pat. No. 5,932,772 and US Pat. No. 5,952,530. Such hydroformylation processes generally involve oxidizing olefinic compounds with hydrogen and monoxide in a liquid reaction medium containing a soluble rhodium-organophosphorus complex catalyst, a free organophosphorus ligand, and a higher boiling aldehyde condensation byproduct. It involves the formation of aldehydes by reaction with carbon gas. Generally, rhodium metal concentrations ranging from about 10 ppm to about 1000 ppm by weight, calculated as free metal, are sufficient for most hydroformylation processes. Some methods use about 10 to 700 ppm by weight of rhodium, often 25 to 500 ppm by weight, calculated as free metal.

したがって、ロジウム-有機リン錯体触媒の場合のように、任意の従来の有機リン配位子を遊離配位子として使用することができ、そのような配位子、及びそれらの製造方法は当技術分野で周知である。本発明では、多種多様な有機リン配位子を使用できる。例としては、ホスフィン、ホスファイト、ホスフィノホスファイト、ビスホスファイト、ホスホナイト、ビスホスホナイト、ホスフィナイト、ホスホラミダイト、ホスフィノホスホアミダイト、ビスホスホラミダイト、フルオロホスファイトなどが挙げられるが、これらに限定されない。配位子はキレート構造を含んでもよく、及び/又はポリホスファイト、ポリホスホラミダイトなどの複数のP(III)部分、及びホスファイト-ホスホラミダイト、フルロホスファイト-ホスファイトなどの混合P(III)部分を含んでもよい。もちろん、必要に応じて、そのような配位子の混合物も使用できる。したがって、本発明のヒドロホルミル化方法は、任意の過剰量の遊離リン配位子、例えば、反応媒体中に存在するロジウム金属1モル当たり少なくとも0.01モルの遊離リン配位子で実施することができる。概して、使用される遊離有機リン配位子の量は、所望のアルデヒド生成物、並びに使用されるオレフィン及び錯体触媒のみに依存する。したがって、反応媒体中に存在する遊離リン配位子の量が、(遊離金属として測定される)存在するロジウム1モル当たり約0.01~約300以上の範囲であることが、ほとんどの目的に適している。例えば、概して、満足のいく触媒活性及び/又は触媒安定化を達成するために、ロジウム1モル当たり50モル超、場合によっては100モル超の遊離配位子などの大量の遊離トリアリールホスフィン配位子、例えばトリフェニルホスフィンが使用されてきた一方で、他のリン配位子、例えばアルキルアリールホスフィン及びシクロアルキルアリールホスフィンは、反応媒体に存在する遊離配位子の量が、存在するロジウム1モル当たりわずか1~100モル、及び、場合によっては、15~60モルの場合でも、特定のオレフィンのアルデヒドへの変換を過度に妨げることなく、許容できる触媒の安定性と反応性を提供するのに役立ち得る。加えて、他のリン配位子(例えば、ホスフィン、スルホン化ホスフィン、ホスファイト、ジオルガノホスファイト、ビスホスファイト、ホスホルアミダイト、ホスホナイト、フルオロホスファイト)は、反応媒体に存在する遊離配位子の量が、存在するロジウム1モル当たりわずか0.01~100モル、及び、場合によっては、0.01~4モルの場合でも、特定のオレフィンのアルデヒドへの変換を妨げることなく、許容できる触媒安定性と反応性を提供するのに役立ち得る。 Thus, as in the case of rhodium-organophosphorus complex catalysts, any conventional organophosphorus ligand can be used as the free ligand, and such ligands, and methods for their preparation, are well within the skill of the art. Well known in the field. A wide variety of organophosphorus ligands can be used in the present invention. Examples include, but are not limited to, phosphine, phosphite, phosphinophosphite, bisphosphite, phosphonite, bisphosphonite, phosphinite, phosphoramidite, phosphinophosphoramidite, bisphosphoramidite, fluorophosphite, etc. Not done. The ligand may contain chelate structures and/or multiple P(III) moieties such as polyphosphites, polyphosphoramidites, and mixed P(III) moieties such as phosphite-phosphoramidites, flurophosphite-phosphites, etc. III) may also be included. Of course, mixtures of such ligands can also be used if desired. Thus, the hydroformylation process of the invention may be carried out with any excess amount of free phosphorus ligand, for example at least 0.01 mole of free phosphorus ligand per mole of rhodium metal present in the reaction medium. can. Generally, the amount of free organophosphorus ligand used depends solely on the desired aldehyde product and the olefin and complex catalyst used. Therefore, for most purposes, the amount of free phosphorus ligands present in the reaction medium ranges from about 0.01 to about 300 or more per mole of rhodium present (measured as free metal). Are suitable. For example, large amounts of free triarylphosphine coordination, such as more than 50 moles, and sometimes more than 100 moles of free ligand, per mole of rhodium are generally required to achieve satisfactory catalyst activity and/or catalyst stabilization. While other phosphorus ligands such as alkylarylphosphine and cycloalkylarylphosphine have been used, the amount of free ligand present in the reaction medium is greater than 1 mole of rhodium present. As little as 1 to 100 moles per molecule, and in some cases even 15 to 60 moles, can be used to provide acceptable catalyst stability and reactivity without unduly interfering with the conversion of a particular olefin to an aldehyde. It can be helpful. In addition, other phosphorus ligands (e.g., phosphines, sulfonated phosphines, phosphites, diorganophosphites, bisphosphites, phosphoramidites, phosphonites, fluorophosphites) can be added to the free coordination present in the reaction medium. Amounts of as little as 0.01 to 100 moles and, in some cases, 0.01 to 4 moles per mole of rhodium present, can be tolerated without interfering with the conversion of certain olefins to aldehydes. May help provide catalyst stability and reactivity.

より具体的には、例示的なロジウム-リン錯体触媒及び例示的な遊離リン配位子としては、例えば、米国特許第3,527,809号、同第4,148,830号、同第4,247,486号、同第4,283,562号、同第4,400,548号、同第4,482,749号、欧州特許出願公開第96,986号、同第96,987号及び同第96,988号(全て1983年12月28日公開)、並びに国際公開第80/01690号(1980年8月21日公開)に開示されているものが挙げられる。言及され得るより好ましい配位子及び錯体触媒の中には、例えば、米国特許第3,527,809号、同第4,148,830号及び同第4,247,486号のトリフェニルホスフィン配位子及びロジウム-トリフェニルホスフィン錯体触媒、米国特許第4,283,562号のアルキルフェニルホスフィン及びシクロアルキルフェニルホスフィン配位子、並びにロジウム-アルキルフェニルホスフィン及びロジウム-シクロアルキルフェニルホスフィン錯体触媒、米国特許第4,599,206号及び米国特許第4,668,651号のジオルガノホスファイト配位子及びロジウム-ジオルガノホスファイト錯体触媒がある。 More specifically, exemplary rhodium-phosphorous complex catalysts and exemplary free phosphorus ligands include, for example, U.S. Pat. , 247,486, 4,283,562, 4,400,548, 4,482,749, European Patent Application Publication No. 96,986, 96,987 and No. 96,988 (all published on December 28, 1983) and International Publication No. 80/01690 (published on August 21, 1980). Among the more preferred ligands and complex catalysts that may be mentioned are, for example, the triphenylphosphine arrangements of U.S. Pat. alkylphenylphosphine and cycloalkylphenylphosphine ligands and rhodium-alkylphenylphosphine and rhodium-cycloalkylphenylphosphine complex catalysts, U.S. Pat. No. 4,283,562; There are diorganophosphite ligands and rhodium-diorganophosphite complex catalysts of Patent No. 4,599,206 and US Pat. No. 4,668,651.

上記で更に述べたように、ヒドロホルミル化反応は、典型的には、より高沸点のアルデヒド縮合副生成物の存在下で実施される。本明細書で使用できる連続ヒドロホルミル化反応の性質は、例えば、米国特許第4,148,830号及び同第4,247,486号でより完全に説明されているように、ヒドロホルミル化方法中にそのようなより高沸点のアルデヒド副生成物(例えば、二量体、三量体及び四量体)をその場で生成するものである。そのようなアルデヒド副生成物は、液体触媒再循環方法のための優れたキャリアを提供する。例えば、最初に、ヒドロホルミル化反応は、ロジウム錯体触媒の溶媒として少量のより高沸点のアルデヒド縮合副生成物の非存在下、若しくは、存在下で行うことができ、又は、反応は、総液体反応媒体全体に基づいて、70重量パーセント以上、更には90重量パーセント、更に多くのそのような縮合副生成物の存在下で実施することができる。概して、約0.5:1から約20:1までの範囲内のアルデヒドとより高沸点のアルデヒド縮合副生成物との重量比は、ほとんどの目的において十分である。そのうえ、必要に応じて、少量の他の従来の有機共溶媒が存在し得ることを理解されたい。 As further discussed above, hydroformylation reactions are typically carried out in the presence of higher boiling aldehyde condensation byproducts. The nature of the continuous hydroformylation reaction that can be used herein is such that during the hydroformylation process, as more fully described, for example, in U.S. Pat. No. 4,148,830 and U.S. Pat. Such higher boiling aldehyde byproducts (eg, dimers, trimers, and tetramers) are generated in situ. Such aldehyde byproducts provide excellent carriers for liquid catalyst recycling processes. For example, the hydroformylation reaction can first be carried out in the absence or presence of a small amount of a higher boiling aldehyde condensation by-product as a solvent for the rhodium complex catalyst, or the reaction can be carried out in the absence or presence of a total liquid reaction. It can be carried out in the presence of 70 weight percent or more, even 90 weight percent or more, based on the total medium, of such condensation byproducts. Generally, a weight ratio of aldehyde to higher boiling aldehyde condensation byproduct within the range of about 0.5:1 to about 20:1 is sufficient for most purposes. Additionally, it is to be understood that small amounts of other conventional organic co-solvents may be present, if desired.

上記のように、ヒドロホルミル化反応条件は広い範囲で変化する可能性があるが、概して、水素、一酸化炭素、及びオレフィン不飽和出発化合物の合計ガス圧約3100キロパスカル(kPa)未満で、より好ましくは約2415kPa未満で方法を実施することがより好ましい。反応物の最小合計圧は特に重要ではなく、主に所望の反応速度を得るために必要な反応物の量によってのみ制限される。より具体的には、本発明のヒドロホルミル化反応方法の一酸化炭素分圧は約1~830kPa、場合によっては約20~620kPaであることができ、一方、水素分圧は約30~1100kPa、場合によっては約65~700kPaであることができる。概ね、ガス状水素と一酸化炭素とのH:COのモル比は、約1:10~100:1以上、場合によっては約1:1.4~約50:1の範囲であってもよい。 As noted above, hydroformylation reaction conditions can vary over a wide range, but generally the combined gas pressure of hydrogen, carbon monoxide, and olefinically unsaturated starting compound is less than about 3100 kilopascals (kPa), and more preferably More preferably, the method is carried out at a pressure of less than about 2415 kPa. The minimum total pressure of the reactants is not particularly critical and is primarily limited only by the amounts of reactants necessary to obtain the desired reaction rate. More specifically, the carbon monoxide partial pressure of the hydroformylation reaction method of the present invention can be about 1 to 830 kPa, optionally about 20 to 620 kPa, while the hydrogen partial pressure can be about 30 to 1100 kPa, optionally Depending on the pressure, it can be about 65-700 kPa. Generally, the H 2 :CO molar ratio of gaseous hydrogen to carbon monoxide ranges from about 1:10 to 100:1 or more, and even in some cases from about 1:1.4 to about 50:1. good.

更に、上記のように、本発明のヒドロホルミル化反応方法は、約50℃~約145℃の反応温度で実施することができる。しかしながら、概ね、約60℃~約120℃、又は約65℃~約115℃の反応温度でのヒドロホルミル化反応が典型的である。 Additionally, as noted above, the hydroformylation reaction process of the present invention can be carried out at a reaction temperature of about 50°C to about 145°C. However, in general, hydroformylation reactions at reaction temperatures of about 60°C to about 120°C, or about 65°C to about 115°C are typical.

もちろん、ヒドロホルミル化反応が実施される特定の方法及び使用される特定のヒドロホルミル化反応条件は、本発明にとって厳密に重要なものではなく、個々のニーズに合わせて広く変更及び調整して特定の所望のアルデヒド生成物を生成し得ることを理解されたい。 Of course, the particular manner in which the hydroformylation reaction is carried out and the particular hydroformylation reaction conditions used are not strictly critical to the invention and may be widely varied and adjusted to suit individual needs to achieve specific desires. It should be understood that aldehyde products can be produced.

内部冷却コイルだけでは十分な熱除去能力(コイル体積当たりの限られた熱伝達面積)が不足することが多いため、外部冷却ループ(外部熱交換器(冷却器)を介した反応器内容物のポンプ循環)は、典型的には、低炭素オレフィン(C2からC5)などの高発熱性ヒドロホルミル化反応に使用される。加えて、内部冷却コイルは内部の反応器の容積を変位させ、所定の生産率に対して反応器のサイズを大きくする。しかしながら、一部の実施形態では、少なくとも1つの内部冷却コイルが、反応器の内側に、典型的には第1の反応ゾーンに配置される。一部の実施形態では、そのような内部冷却コイルを、外部冷却ループに追加することができる。好ましい実施形態では、ジェットを生成するために(別個に、又は高剪断マイクロバブル発生器の変形とともに)使用される液体プロセス流体は、同じ反応ゾーンに再導入される前に、(好ましくはマイクロバブル発生器の前の)熱交換器を通過する。冷却されたプロセス流体の流れは、例えば米国特許第9,670,122号(特に図3)に教示されているように、反応ゾーンが最適に温度制御されるように変化させることができる。 Since the internal cooling coil alone often lacks sufficient heat removal capacity (limited heat transfer area per coil volume), the external cooling loop (external heat exchanger (cooler) Pump circulation) is typically used for highly exothermic hydroformylation reactions such as low carbon olefins (C2 to C5). In addition, internal cooling coils displace the internal reactor volume, increasing reactor size for a given production rate. However, in some embodiments, at least one internal cooling coil is placed inside the reactor, typically in the first reaction zone. In some embodiments, such an internal cooling coil can be added to the external cooling loop. In a preferred embodiment, the liquid process fluid used (separately or with a modification of the high-shear microbubble generator) to generate the jet (preferably microbubbles) before being reintroduced into the same reaction zone. (before the generator) passes through a heat exchanger. The flow of the cooled process fluid can be varied to provide optimal temperature control of the reaction zone, for example as taught in US Pat. No. 9,670,122 (particularly FIG. 3).

本発明で反応物として使用することのできるオレフィンの好ましい例としては、エチレン、プロピレン、ブテン、1-ヘキセン、1-オクテン、1-ノネン、1-デセン、1-ウンデセン、1-トリデセン、1-テトラデセン、1-ペンタデセン、1-ヘキサデセン、1-ヘプタデセン、1-オクタデセン、1-ノナデセン、1-エイコセン、2-ブテン、2-メチルプロペン、2-ペンテン、2-ヘキセン、2-ヘプテン、2-エチルヘキセン、2-オクテン、スチレン、3-フェニル-1-プロペン、1,4-ヘキサジエン、1,7-オクタジエン、3-シクロヘキシル-1-ブテン、酢酸アリル、酪酸アリル、メタクリル酸メチル、ビニルメチルエーテル、ビニルエチルエーテル、アリルエチルエーテル、n-プロピル-7-オクテノエート、3-ブテンニトリル、5-ヘキセンアミド、4-メチルスチレン、4-イソプロピルスチレンなどが挙げられる。異性体の混合物(例えば、ブテンラフィネート)も使用できる。得られたアルデヒド生成物は、水素化され、溶媒として、又は可塑剤の調製に使用さ得る対応するアルコールに変換されるか、又は高級アルデヒドへのアルドール縮合、対応する酸への酸化、又は対応する酢酸エステル、プロピオン酸エステル、又はアクリル酸エステルを生成するためのエステル化などの他の後続の反応が施され得る。 Preferred examples of olefins that can be used as reactants in the present invention include ethylene, propylene, butene, 1-hexene, 1-octene, 1-nonene, 1-decene, 1-undecene, 1-tridecene, 1- Tetradecene, 1-pentadecene, 1-hexadecene, 1-heptadecene, 1-octadecene, 1-nonadecene, 1-eicosene, 2-butene, 2-methylpropene, 2-pentene, 2-hexene, 2-heptene, 2-ethyl Hexene, 2-octene, styrene, 3-phenyl-1-propene, 1,4-hexadiene, 1,7-octadiene, 3-cyclohexyl-1-butene, allyl acetate, allyl butyrate, methyl methacrylate, vinyl methyl ether, Examples include vinyl ethyl ether, allyl ethyl ether, n-propyl-7-octenoate, 3-butenenitrile, 5-hexenamide, 4-methylstyrene, and 4-isopropylstyrene. Mixtures of isomers (eg butene raffinate) can also be used. The resulting aldehyde product can be hydrogenated and converted to the corresponding alcohol, which can be used as a solvent or in the preparation of plasticizers, or aldol condensation to higher aldehydes, oxidation to the corresponding acid, or the corresponding Other subsequent reactions such as esterification to produce acetate, propionate, or acrylate esters may be performed.

オレフィン出発物質は、ガス(任意選択的に、入ってくる合成ガス供給物とともに)、反応器内の液体、又は反応器に入る前の再循環ループの一部として、任意の便利な技術によって反応器に導入される。1つの特に有用な方法は、ジェット又は任意選択の合成ガススパージャの隣又は下方に別個のオレフィンスパージャ(後述)を使用して、オレフィン供給物と合成ガス供給物とを互いに極めて近接して導入することである。 The olefin starting material can be reacted by any convenient technique, either as a gas (optionally with the incoming synthesis gas feed), as a liquid in the reactor, or as part of a recycle loop before entering the reactor. introduced into the vessel. One particularly useful method uses a separate olefin sparger (described below) next to or below the jet or optional syngas sparger to introduce the olefin feed and the syngas feed in close proximity to each other. That's true.

本発明のヒドロホルミル化反応方法の一部の実施形態の動作の説明を助けるために、ここで図1を参照する。図1は、本発明の一実施形態によるヒドロホルミル化反応方法を実施するために使用することができる円筒型の反応器1の非限定的な例を示す。反応器1は、オレフィン、水素、一酸化炭素、均一触媒、アルデヒド生成物、溶媒、及び他の成分の混合物である反応流体を含む。反応器は、3つの反応ゾーン1A、1B、1Cを有する。反応流体の一部分は、反応器の底の出口3を通って第1の反応ゾーン1Aから除去される。除去された反応流体の少なくとも一部分は、2つの剪断混合装置4を通過し、図3a又は図3bに示すように、(不活性物質を含むか又は含まない)新鮮な又は再循環された合成ガスが導入されて、除去された反応流体の一部分の中に気泡を発生させる。除去された反応流体は、2つのノズル5を介して第1の反応ゾーン1Aに戻される。ノズル及びそれらの配向については、以下で更に説明する。除去された反応流体は、戻される反応流体の1つ以上の液体ジェットを形成するノズル5を通って第1の反応ゾーン1Aに戻され、この液体ジェットは大半の反応器流体に運動量及び気液混合を付与する。剪断混合装置は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第5,845,993号に記載されているものなどである。 To help explain the operation of some embodiments of the hydroformylation reaction method of the present invention, reference is now made to FIG. FIG. 1 shows a non-limiting example of a cylindrical reactor 1 that can be used to carry out a hydroformylation reaction method according to an embodiment of the invention. Reactor 1 contains a reaction fluid that is a mixture of olefin, hydrogen, carbon monoxide, homogeneous catalyst, aldehyde product, solvent, and other components. The reactor has three reaction zones 1A, 1B, 1C. A portion of the reaction fluid is removed from the first reaction zone 1A through the outlet 3 at the bottom of the reactor. At least a portion of the removed reaction fluid passes through two shear mixers 4 and is then mixed with fresh or recycled syngas (with or without inerts), as shown in FIG. 3a or 3b. is introduced to generate bubbles within the portion of the removed reaction fluid. The removed reaction fluid is returned to the first reaction zone 1A via the two nozzles 5. Nozzles and their orientation are discussed further below. The removed reaction fluid is returned to the first reaction zone 1A through a nozzle 5 that forms one or more liquid jets of returned reaction fluid that impart momentum and vapor to the majority of the reactor fluid. Gives a mixture. Shear mixing devices include those described in US Pat. No. 5,845,993, which is incorporated herein by reference.

流れ2を介して反応器1の底から除去される反応流体に関して、粗生成物及び触媒混合物を、生成物-触媒分離ゾーン(図示せず)を介して流れ2から除去することができる。この流れ2はまた、戻されるプロセス流体が冷却されて反応ゾーンを冷却するように、熱除去プロセスを通過してもよい。 With respect to the reaction fluid removed from the bottom of reactor 1 via stream 2, crude product and catalyst mixture can be removed from stream 2 via a product-catalyst separation zone (not shown). This stream 2 may also be passed through a heat removal process such that the returned process fluid is cooled to cool the reaction zone.

本明細書で使用される場合、用語「剪断混合装置」、「高剪断混合装置」、「マイクロバブル発生器」、及び「高剪断マイクロバブル発生器」は、互換的に使用され、流体中に平均サイズ3,000ミクロン以下の気泡を発生させることができる機器を指す。本発明の実施形態で使用することができる剪断混合装置の重要な特徴及び利点は、全体が(例えば、可動部品を含まないか、又は機械的シールを必要とせず、保守の必要性がなく、漏れ/故障点が生じる可能性がない)静的配管構成要素から構成され、したがって、本来の安全性、機械的信頼性、環境への低放出性、及びプラント稼働時間を向上させることである。本発明の実施形態で使用することができる剪断混合装置の例は、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第5,845,993号に記載されている。概して、剪断混合装置は、有孔表面によって分離された単一(又は複数)の乱流液体流と接触する加圧ガス導管又はチャンバを含む。ガスは、液体流によって生成される剪断応力によって駆動されて、穿孔を通って液体流に入る。このような剪断混合装置の2つの典型的な実施形態を図3に示す。例えば、一実施形態(図3a)では、剪断混合装置は、液体流(L)を運ぶ内部チャネルを有する。これには、加圧ガス入口(G)に接続された外側同心ジャケットが取り付けられる。外側ジャケットによって包まれた内側チャネルの一部分は、多数の穿孔により有孔である。これらの穿孔は、外側ジャケットからのガス(G)が、小さな気泡から構成される液体中ガス分散体の形態で内側チャネル内の液体(L)流に入る場所である。本発明において、液体(L)は、第1の反応ゾーンに戻される除去された反応流体の少なくとも一部分であり、ガス(G)は合成ガスである。 As used herein, the terms "shear mixing device," "high shear mixing device," "microbubble generator," and "high shear microbubble generator" are used interchangeably and include Refers to equipment that can generate bubbles with an average size of 3,000 microns or less. Important features and advantages of shear mixing devices that can be used in embodiments of the present invention are that the entire shear mixing device (e.g., does not contain moving parts or require mechanical seals, does not require maintenance, It is constructed from static piping components (with no potential for leakage/failure points), thus increasing inherent safety, mechanical reliability, low emissions to the environment, and plant uptime. An example of a shear mixing device that can be used in embodiments of the present invention is described in US Pat. No. 5,845,993, which is incorporated herein by reference. Generally, shear mixing devices include pressurized gas conduits or chambers in contact with single (or multiple) turbulent liquid streams separated by perforated surfaces. Gas enters the liquid stream through the perforations, driven by the shear stress generated by the liquid stream. Two typical embodiments of such shear mixing devices are shown in FIG. For example, in one embodiment (FIG. 3a), the shear mixing device has an internal channel carrying the liquid flow (L). It is fitted with an outer concentric jacket connected to the pressurized gas inlet (G). A portion of the inner channel enclosed by the outer jacket is perforated by multiple perforations. These perforations are where the gas (G) from the outer jacket enters the liquid (L) stream in the inner channel in the form of a gas-in-liquid dispersion composed of small air bubbles. In the present invention, the liquid (L) is at least a portion of the removed reaction fluid that is returned to the first reaction zone, and the gas (G) is synthesis gas.

一部の実施形態では、合成ガスの一部分は、剪断混合装置を介して導入される合成ガスに加えて、(例えば、国際公開第2018/236823号に開示されている)従来のスパージャリングを介して第1の反応ゾーンに導入されてもよい。他の実施形態では、第1の反応ゾーンに提供される合成ガスの唯一の供給源は、剪断混合装置を介する。 In some embodiments, a portion of the syngas is introduced via conventional sparging (e.g., as disclosed in WO 2018/236823) in addition to the syngas introduced via a shear mixing device. may be introduced into the first reaction zone. In other embodiments, the only source of syngas provided to the first reaction zone is through a shear mixing device.

本発明の実施形態では、気泡は剪断混合装置によって生成されるため、従来のスパージャリングを使用せずに第1の反応ゾーンに導入される混合エネルギーは、国際公開第2018/236823号とは異なる。剪断混合装置を通る流れによって生成される運動量は、ノズルの出口から始まる反応流体全体にわたって均一に気泡を分配する必要がある。ノズルを出るジェットからの運動量の大部分は、従来のスパージャリングが使用される一部の実施形態では、第1の反応ゾーンの底に到達する必要はなく、第1の反応ゾーン全体にわたって気泡を分配することのみを必要とする。好適な混合及びガス分散を達成するために、以下で更に説明するように対処する必要がある反応器及びノズル設計に関するいくつかの考慮事項がある。 In embodiments of the invention, the bubbles are generated by a shear mixing device, so the mixing energy introduced into the first reaction zone without using conventional sparging is different from WO 2018/236823 . The momentum generated by the flow through the shear mixing device is required to evenly distribute the bubbles throughout the reaction fluid starting at the nozzle outlet. The majority of the momentum from the jet exiting the nozzle does not need to reach the bottom of the first reaction zone in some embodiments where conventional spargering is used, but instead drives air bubbles throughout the first reaction zone. It only needs to be distributed. In order to achieve suitable mixing and gas distribution, there are several reactor and nozzle design considerations that need to be addressed, as discussed further below.

以下の混合エネルギー密度式に示すように、本発明者らは、ジェットによって提供される混合エネルギー密度(単位体積当たりに供給される出力)が500W/mを超える場合、優れた結果が達成されることを見出した。そのような混合エネルギーが存在しない場合、反応流体の乱流が少ない(又はゼロである)ため、ガス気泡のサイズが大きくなり、浮力の増加と液体からの離脱により、気液界面に急速に上昇して、反応器内のガス停滞が減少する。小さな気泡を生成して維持することは、より良い気液混合、ガスの停滞、及びより再現性のある反応器性能を提供する均一な反応流体を生成するために重要である。気泡が小さくなることにより、最大のガスの停滞が得られ、気泡と合成ガスを溶解する液体との間の質量移動面積が最大化される(最適化されたガス体積/表面比)。逆に、(例えば、外部再循環ポンプ/熱交換器への、又は反応器生成物出口の)出口ノズルの近くの液体の流線内に非常に小さな気泡が捕捉される場合があり、これは下流の機器に悪影響を及ぼす場合があるため、本発明の重要な特徴は、適切なサイズ範囲の気泡を一貫して生成する能力である。 As shown in the mixing energy density formula below, the inventors found that excellent results are achieved when the mixing energy density (power delivered per unit volume) provided by the jet exceeds 500 W/ m3 . I discovered that. In the absence of such mixing energy, there is less (or no) turbulence in the reacting fluid, so the gas bubbles increase in size and rise rapidly to the gas-liquid interface due to increased buoyancy and detachment from the liquid. As a result, gas stagnation within the reactor is reduced. Creating and maintaining small gas bubbles is important for producing a uniform reaction fluid that provides better gas-liquid mixing, gas stagnation, and more reproducible reactor performance. The smaller bubbles provide maximum gas stagnation and maximize the mass transfer area between the bubbles and the liquid dissolving the syngas (optimized gas volume/surface ratio). Conversely, very small air bubbles may become trapped within the liquid streamline near the outlet nozzle (e.g. to an external recirculation pump/heat exchanger or at the reactor product outlet); An important feature of the present invention is the ability to consistently produce bubbles in the appropriate size range, as downstream equipment may be adversely affected.

再び図1を参照すると、反応流体は、出口3を介して反応器1の底から除去され、分流器プレート又は制限ノズル(後述)で任意選択的に終端する2つ以上のノズル5を介して反応器に戻される。一部の実施形態では、2つ以上のノズル5は、対称的な対、対称的な三連構造、又は他の対称的な配置に配向されてもよい。 Referring again to Figure 1, reaction fluid is removed from the bottom of the reactor 1 via outlet 3 and via two or more nozzles 5, optionally terminating in a flow divider plate or restriction nozzle (described below). returned to the reactor. In some embodiments, two or more nozzles 5 may be oriented in symmetrical pairs, symmetrical triads, or other symmetrical arrangements.

ノズル5は、液体ジェットを下方向若しくは上方向又はその両方に向けるように配向されてもよい。一部の実施形態では、ノズルは、液体ジェットが反応器1の中心縦軸に向かないように(例えば、反応器の中心軸に向かないように)配向されてもよい。液体ジェットは、厳密に水平若しくは厳密に垂直方向に、又は反応器の垂直軸若しくは中心に直接向かって配向されないことが好ましい。ノズルの配向については、図2に関連して以下で更に説明する。 The nozzle 5 may be oriented to direct the liquid jet downwardly or upwardly or both. In some embodiments, the nozzle may be oriented such that the liquid jet is not directed toward the central longitudinal axis of the reactor 1 (eg, not directed toward the central axis of the reactor). Preferably, the liquid jet is not oriented strictly horizontally or strictly vertically or directly towards the vertical axis or center of the reactor. Nozzle orientation is further discussed below in connection with FIG. 2.

一部の実施形態では、対称ノズルの複数のセットは、反応器1内の異なるノズル配向(半径方向位置)及び/又は異なる高さに配置させることができる。一部の実施形態では、様々な液体供給物(例えば、液体オレフィン供給物、上流反応器の液体触媒流、生成物-触媒分離ゾーンからの液体触媒流など)を、剪断混合装置4を介して反応器1に提供することができる。一部の実施形態では、そのような供給物のうちの1つ以上が、戻される除去された反応流体と組み合わせられ、少なくとも1つの剪断混合装置を介して反応器1に提供されてもよい。液体供給物が上流の反応器からのものである場合、いくらかの合成ガスが存在し得るが、これは、剪断混合装置4によって導入される合成ガスと比較して少量の合成ガスに相当する。図1に示す実施形態では、新鮮な液体オレフィン供給物6は、戻される反応流体7と組み合わされ、剪断混合装置を介して反応器1に提供される。 In some embodiments, multiple sets of symmetrical nozzles may be arranged at different nozzle orientations (radial positions) and/or at different heights within the reactor 1. In some embodiments, various liquid feeds (e.g., liquid olefin feed, liquid catalyst stream from an upstream reactor, liquid catalyst stream from a product-catalyst separation zone, etc.) are routed through shear mixing device 4. can be provided to reactor 1. In some embodiments, one or more of such feeds may be combined with returned removed reaction fluid and provided to reactor 1 via at least one shear mixing device. If the liquid feed is from an upstream reactor, some syngas may be present, but this represents a small amount of syngas compared to the syngas introduced by shear mixer 4. In the embodiment shown in FIG. 1, fresh liquid olefin feed 6 is combined with returned reaction fluid 7 and provided to reactor 1 via a shear mixing device.

戻される除去された反応流体は、ジェットとして各ノズル5を出る。本明細書で使用される場合、用語「ジェット」、「向けられたジェット」、及び「向けられた流れ」は互換的に使用され、合成ガスがスパージャリングではなく1つ以上の剪断混合装置によって供給されることを除いて、国際公開第2018/23623号に記載されている。ジェットは、(剪断混合装置とは別個に、又は剪断混合装置と併せて)第1の反応ゾーンを混合するために特に設計された1つ以上の剪断混合装置の出力又は別個の流れであってもよい。 The returned removed reaction fluid exits each nozzle 5 as a jet. As used herein, the terms "jet," "directed jet," and "directed flow" are used interchangeably to indicate that syngas is produced by one or more shear mixing devices rather than by sparging. As described in WO 2018/23623, except as provided. The jet is the output of one or more shear mixing devices or a separate stream specifically designed to mix the first reaction zone (separately or in conjunction with the shear mixing device). Good too.

ジェットは、下向きの逆流を提供して、気泡の自然浮力を相殺し、逆混合反応器全体を循環する液体中の気泡の同伴を維持し、その結果、逆混合液相全体にわたる合成ガス気泡のより均一な分布をもたらす。合成ガスが溶解して反応すると、気泡が収縮し、これは逆混合液相内での分布の維持と液相への良好なガス質量移動の促進に更に役立つ。この均一に混合された液体反応流体は、有孔仕切板(後述)などの透過性物理障壁を横切って非撹拌反応ゾーン内に移動するので、一部の実施形態では、外部混合エネルギーを供給する必要なしに制御された方法で反応する。 The jets provide a downward counterflow to offset the natural buoyancy of the bubbles and maintain entrainment of the bubbles in the liquid circulating throughout the backmixing reactor, resulting in the increase of syngas bubbles throughout the backmixing liquid phase. resulting in a more even distribution. As the syngas dissolves and reacts, the gas bubbles contract, which further helps maintain distribution within the back-mixed liquid phase and promote good gas mass transfer into the liquid phase. This homogeneously mixed liquid reaction fluid moves across a permeable physical barrier, such as a perforated partition (discussed below), into the unstirred reaction zone, thus providing external mixing energy in some embodiments. React in a controlled manner without need.

戻される反応流体のジェットは、反応流体中の反応物を適切に混合して反応を促進するために、反応流体に混合エネルギー密度を提供する。 The returned jet of reactant fluid provides a mixing energy density to the reactant fluid to properly mix the reactants in the reactant fluid and promote the reaction.

一部の実施形態では、ジェットは、撹拌器又は機械的混合エネルギーの他の機械的供給源が必要とされないような、十分な混合エネルギー密度を提供する。ジェットは、以下の式: In some embodiments, the jets provide sufficient mixing energy density such that an agitator or other mechanical source of mechanical mixing energy is not required. The jet has the following formula:

(式中、Vは、第1の反応ゾーン内の反応流体の体積(m)であり、Nは、各ジェットがi=1からi=N(1刻み)までの自然数を使用して一意に識別されるような、第1の反応ゾーンに戻されるジェットの総数であり、ρは、i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される反応流体のノズルポートにおける平均密度(kg/m)であり、Qは、i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される反応流体の体積流量(m/s)であり、Aは、反応流体が流れるi番目のノズルの、反応流体がノズルを出て第1の反応ゾーンに入る位置での断面積(m)である)を満たす混合エネルギー密度を提供する。明確にするために、V(第1の反応ゾーン内の反応流体の体積(m))は、(脱気された液体体積とは対照的に)方法が実行されるときのガス充填液体レベルを指す。この体積(V)は、ソナーレベルインジケータ又はテイクオフノズルなどの既知の方法によって決定することができる。同様に、ρは、剪断混合装置に供給される反応流体と合成ガスとの相対流量によって容易に計算することができる。i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される反応流体のノズルポートにおける平均密度(ρ)(kg/m)、i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される反応流体の体積流量(Q)(m/s)、及び反応流体が流れるi番目のノズルの断面積(A)(m)は、本明細書の教示に基づいて当業者に公知の技術を使用して測定又は決定することができる。ジェットは、500ワット/m以上の(上記式で定義されるような)混合密度エネルギーを提供することによって、第1の反応ゾーンに適切な混合を提供すると考えられる。言い換えれば、一部の実施形態では、ジェットは、従来の機械的撹拌器を必要とせずに十分に混合することができる。 (where V is the volume of reaction fluid in the first reaction zone (m 3 ) and N is the volume of reaction fluid in the first reaction zone (m 3 ), and N is the is the total number of jets returned to the first reaction zone, as identified in , and ρ i is the average density (kg /m 3 ), Q i is the volumetric flow rate (m 3 /s) of the reaction fluid returned to the first reaction zone through the i-th jet, and A i is the volumetric flow rate (m 3 /s) of the reaction fluid flowing through the i-th of the nozzle at the location where the reactant fluid exits the nozzle and enters the first reaction zone. For clarity, V (volume of reaction fluid in the first reaction zone (m 3 )) is the gas-filled liquid level when the method is carried out (as opposed to the evacuated liquid volume). refers to This volume (V) can be determined by known methods such as sonar level indicators or take-off nozzles. Similarly, ρ i can be easily calculated by the relative flow rates of the reaction fluid and synthesis gas fed to the shear mixing device. Average density (ρ) at the nozzle port of the reaction fluid returned to the first reaction zone through the i-th jet (kg/m 3 ), Reaction fluid returned to the first reaction zone through the i-th jet The volumetric flow rate (Q i ) (m 3 /s) of and the cross-sectional area (A i ) (m 2 ) of the i-th nozzle through which the reaction fluid flows are determined by techniques known to those skilled in the art based on the teachings herein. can be measured or determined using The jet is believed to provide adequate mixing in the first reaction zone by providing a mixing density energy (as defined by the above formula) of 500 watts/m 3 or more. In other words, in some embodiments, the jets can mix well without the need for conventional mechanical agitators.

剪断混合装置を通る反応流体の流量はまた、適切な混合エネルギーが第1の反応ゾーンに確実に提供されるようにするために重要であり得る。したがって、一部の実施形態では、剪断混合装置を通る反応流体の流量は、以下:
SM>525(μ/ρ)PSM
(式中、qSMは、剪断混合装置に入る反応流体の流量(m/s)であり、ρは、剪断混合装置に入る前の反応流体の密度(kg/m)であり、μは、剪断混合装置に入る前の反応流体の粘度(Pa・s)であり、PSMは、剪断混合装置内部の液体流の断面の最小湿潤周囲長である)を満たす。剪断混合装置に入る反応流体の流量(qSM)(m/s)、剪断混合装置に入る前の反応流体の密度(ρ)(kg/m)、及び剪断混合装置に入る前の反応流体の粘度(μ)(Pa・s)は、本明細書の教示に基づいて当業者に公知の技術を使用して測定することができる。剪断混合装置内部の液体流の断面の最小湿潤周囲長(PSM)は、以下のように決定することができる。剪断混合装置を通して反応流体を輸送する従来の管の場合、PSMは、πに管の内径を乗じたものである(PSM=IDtube)。場合によっては、内管も存在し、反応流体が内管の外壁と外管の内壁との間の環状領域を流れてもよい。この場合、PSMは、πに内管の外径と外管の内径との和を乗算したものである(PSM=π(ODinner tube+IDouter tube))。
The flow rate of the reaction fluid through the shear mixing device may also be important to ensure that adequate mixing energy is provided to the first reaction zone. Accordingly, in some embodiments, the flow rate of the reactant fluid through the shear mixing device is:
q SM >525 (μ oo ) P SM
(where q SM is the flow rate of the reaction fluid entering the shear mixing device (m 3 /s), ρ o is the density of the reaction fluid before entering the shear mixing device (kg/m 3 ), μ o is the viscosity of the reaction fluid before entering the shear mixing device (Pa·s) and P SM is the minimum wetted perimeter of the cross section of the liquid flow inside the shear mixing device. The flow rate of the reaction fluid entering the shear mixer (q SM ) (m 3 /s), the density of the reaction fluid before entering the shear mixer (ρ o ) (kg/m 3 ), and the density of the reaction fluid before entering the shear mixer (kg/m 3 ); The viscosity (μ o ) (Pa·s) of the reaction fluid can be measured using techniques known to those skilled in the art based on the teachings herein. The minimum wetted perimeter (P SM ) of the cross section of the liquid flow inside the shear mixing device can be determined as follows. For conventional tubes transporting reactant fluids through a shear mixing device, P SM is π multiplied by the inner diameter of the tube (P SM = ID tube ). Optionally, an inner tube may also be present, and the reaction fluid may flow in an annular region between the outer wall of the inner tube and the inner wall of the outer tube. In this case, P SM is π multiplied by the sum of the outer diameter of the inner tube and the inner diameter of the outer tube (P SM =π(OD inner tube + ID outer tube )).

一実施形態では、ジェットの全てが剪断混合装置からのものである。他の実施形態では、一部のジェットは混合エネルギー密度を付与するためだけのものであり、他のジェットは、1つ以上の剪断混合装置からのものである。別の実施形態では、マルチゾーン反応器は、反応器内の複数の反応ゾーン内に剪断混合装置ジェットループを有し、各ジェットループは、除去されたのと同じゾーンから取り出された流体を再循環させる。別の実施形態では、マルチゾーン反応器は、第1の反応ゾーンから反応流体を除去し、反応流体を、剪断混合装置を介してジェットとして第2の反応ゾーンに戻すように構成することができる。更なる実施形態では、反応器本体内の全てのゾーンは、高剪断混合装置からのジェットを有する。好ましい実施形態では、第2の反応ゾーンは、逆混合反応器ではなく、気泡塔反応器、プラグフロー反応器、ピストン流反応器、ガス又は気泡リフト(管状)反応器、充填床反応器、又はベンチュリ型反応器から選択される。非逆混合反応器の例としては、米国特許第5,367,106号、同第5,105,018号、同第7,405,329号、及び同第8,143,468号が挙げられる。 In one embodiment, all of the jets are from a shear mixing device. In other embodiments, some jets are solely for imparting mixing energy density and other jets are from one or more shear mixing devices. In another embodiment, a multi-zone reactor has shear mixer jet loops in multiple reaction zones within the reactor, each jet loop recycling fluid removed from the same zone that was removed. Circulate. In another embodiment, the multi-zone reactor can be configured to remove reaction fluid from a first reaction zone and return the reaction fluid as a jet to a second reaction zone via a shear mixing device. . In a further embodiment, all zones within the reactor body have jets from a high shear mixing device. In a preferred embodiment, the second reaction zone is not a backmix reactor, but a bubble column reactor, a plug flow reactor, a piston flow reactor, a gas or bubble lift (tubular) reactor, a packed bed reactor, or selected from venturi type reactors. Examples of non-backmixing reactors include U.S. Pat. No. 5,367,106, U.S. Pat. No. 5,105,018, U.S. Pat. .

反応器内のノズルの位置及び配向は、特に2つ以上のノズルが設けられる場合に重要である。例えば、ノズルから出るジェットが互いに直接に配向されるように2つのノズルを配置することは全般的に避けるべきである。図2は、本発明の一部の実施形態によるノズル105の位置及び配向を示すための円筒型の反応器100の側面図及び2つの上面図の概略図である。図2はまた、反応器100内のノズル105の下に配置されたドーナツバッフル110(以下で更に説明する)を示す。アルファ(α)は、水平面に対するノズルの角度である。一部の実施形態では、水平角が0°である場合、αは、75°(上向きの角度)と-75°(下向きの角度)との間の範囲であり得る。一部の実施形態では、水平角が0°である場合、αは、45°(上向きの角度)と-60°(下向きの角度)との間の範囲であり得る。ベータ(β)は、ノズルが中心線に対して左又は右に配向される角度である。一部の実施形態では、ノズルが反応器を横切って真っ直ぐに向く配向が0°である場合、βは概ね5°~90°(反応器の上部から見てノズルが時計回りに向いている)又は-5°~-90°(反応器の上部から見てノズルが反時計回りに向いている)である。βは、ファイ(φ)が0°より大きい場合、-5°~5°であるべきである。ファイ(φ)は、上から見たときにノズルが反応器の中心線からずれている距離である。φは、反応器の断面直径の50%以下であるべきである。少なくとも2つのノズルが除去された反応流体を反応器に戻す一部の実施形態では、各ノズルは、水平面に対するノズルの角度(アルファ(α))が+75°~-75°であるように配向され、アルファ(α)、反応器の中心を通る垂直面に対するノズルの角度(ベータ(β))、及びベータがゼロである場合に反応器の中心を通る垂直面からの距離(ファイ(φ))は、全て非ゼロである。 The position and orientation of the nozzle within the reactor is important, especially when more than one nozzle is provided. For example, arranging two nozzles so that the jets exiting the nozzles are directly directed toward each other should generally be avoided. FIG. 2 is a schematic diagram of a side view and two top views of a cylindrical reactor 100 to illustrate the position and orientation of the nozzle 105 according to some embodiments of the invention. FIG. 2 also shows a donut baffle 110 (discussed further below) located below the nozzle 105 within the reactor 100. Alpha (α) is the angle of the nozzle with respect to the horizontal plane. In some embodiments, when the horizontal angle is 0°, α can range between 75° (upward angle) and −75° (downward angle). In some embodiments, when the horizontal angle is 0°, α can range between 45° (upward angle) and −60° (downward angle). Beta (β) is the angle at which the nozzle is oriented to the left or right with respect to the centerline. In some embodiments, when the orientation of the nozzle pointing straight across the reactor is 0°, β is approximately 5° to 90° (nozzle oriented clockwise when viewed from the top of the reactor). or -5° to -90° (nozzle oriented counterclockwise when viewed from the top of the reactor). β should be between -5° and 5° if phi (φ) is greater than 0°. Phi (φ) is the distance that the nozzle is offset from the centerline of the reactor when viewed from above. φ should be no more than 50% of the cross-sectional diameter of the reactor. In some embodiments in which at least two nozzles return the removed reaction fluid to the reactor, each nozzle is oriented such that the angle of the nozzle with respect to the horizontal plane (alpha (α)) is between +75° and -75°. , alpha (α), the angle of the nozzle with respect to the vertical plane passing through the center of the reactor (beta (β)), and the distance from the vertical plane passing through the center of the reactor (phi (φ)) when beta is zero. are all non-zero.

一部の実施形態では、戻される反応流体の流れは単一ラインではないが、単一のノズルで反応器に戻る反応流体の大部分は、α値及びβ値の比較的狭い範囲内にあることを理解されたい。本出願の目的のために、「垂直」及び「水平」という用語が流体分流器での戻される反応流体の流れに関連して使用される場合、それらの用語はそれぞれ角度α及びβを使用して理解され得る。すなわち、「垂直流れ」又は「垂直ジェット」は、非ゼロのα、本質的にゼロのβで上向き及び/又は下向きに配向される。「水平流れ」又は「水平ジェット」は、本質的にゼロのα、非ゼロのβで左向き及び/又は右向きに配向される。「向けられた流れ」という用語は概して、αとβとの両方が非ゼロである流れを指す。「向けられた流れ」は、剪断混合装置からの流れ、又は剪断混合装置に戻るが通過しない他の流れを含んでもよい。 In some embodiments, the flow of the returned reaction fluid is not a single line, but the majority of the reaction fluid returned to the reactor in a single nozzle is within a relatively narrow range of α and β values. I hope you understand that. For the purposes of this application, when the terms "vertical" and "horizontal" are used in connection with the flow of the returned reaction fluid in a fluid diverter, those terms use angles α and β, respectively. can be understood as such. That is, a "vertical flow" or "vertical jet" is directed upward and/or downward with non-zero α and essentially zero β. A "horizontal flow" or "horizontal jet" is oriented to the left and/or to the right with essentially zero α and non-zero β. The term "directed flow" generally refers to a flow in which both α and β are non-zero. "Directed flow" may include flow from the shear mixing device or other flow that returns to but does not pass through the shear mixing device.

更に図2を参照すると、デルタ(δ)は、ノズルが反応器壁から反応器内に突出する距離である。一部の実施形態では、δは反応器の直径の50%未満である。一部の実施形態では、δは、円筒型の反応器の半径の50%以下である。一部の実施形態では、δは円筒型の反応器の半径の少なくとも10%である。一部の実施形態では、δは、円筒型の反応器の半径の10%~45%である。一部の実施形態では、分流器の端部は、δが円筒型の反応器の半径の約0%となるように、反応器壁と概ね同一平面にすることができる。 Still referring to FIG. 2, delta (δ) is the distance that the nozzle projects from the reactor wall into the reactor. In some embodiments, δ is less than 50% of the diameter of the reactor. In some embodiments, δ is 50% or less of the radius of the cylindrical reactor. In some embodiments, δ is at least 10% of the radius of the cylindrical reactor. In some embodiments, δ is 10% to 45% of the radius of the cylindrical reactor. In some embodiments, the end of the flow divider can be generally flush with the reactor wall such that δ is about 0% of the radius of the cylindrical reactor.

一部の実施形態では、図2に示すように同じ若しくは異なる高さで、又は異なる角度(α及び/又はβ)でノズルの追加のセットを提供することができる。図4は、本発明の一部の実施形態による、反応器200内のノズル205の異なる位置、ジェット(符号が付されていないが、ノズル205のポートを出る矢印によって表されている)に対する1つ以上のドーナツバッフル210の異なる位置、及びノズル205を出るジェットの角度を示す一連の図である。剪断混合装置215も示されているが、図4の各図には符号が付されていない。 In some embodiments, additional sets of nozzles can be provided at the same or different heights, as shown in FIG. 2, or at different angles (α and/or β). FIG. 4 illustrates different positions of nozzle 205 within reactor 200, one for jets (not labeled but represented by arrows exiting ports of nozzle 205), according to some embodiments of the invention. FIG. 3 is a series of views showing different positions of the two or more donut baffles 210 and the angle of the jet exiting the nozzle 205. A shear mixing device 215 is also shown, but not numbered in the figures of FIG.

ファイ(ψ)は、(反応流体充填高さの百分率としての)ノズルの先端が位置する距離である。本明細書で使用される場合、「反応流体充填高さ」は、反応器の底からの反応器内の液体の高さを指す。図2に示すように、反応器が底部分にヘッドスペースを有する実施形態では、反応器の底から測定されるものとして参照される全ての高さは、ヘッドスペースの真上の反応器を横切る接線102から測定される。図2に更に示すように、反応器が平坦な底を有する場合、反応器の底から測定されるものとして参照される全ての高さは、物理的な底から測定される。ψは、反応流体充填高さの100%未満である。一部の実施形態では、ψは、反応流体充填高さの90%未満である。一部の実施形態では、ψは、反応流体充填高さの75%~80%である。 Phi (ψ) is the distance at which the tip of the nozzle is located (as a percentage of the reactant fluid filling height). As used herein, "reactant fluid fill height" refers to the height of liquid within the reactor from the bottom of the reactor. In embodiments where the reactor has a headspace in the bottom portion, as shown in Figure 2, all heights referred to as measured from the bottom of the reactor are across the reactor directly above the headspace. Measured from tangent 102. As further shown in Figure 2, if the reactor has a flat bottom, all heights referred to as being measured from the bottom of the reactor are measured from the physical bottom. ψ is less than 100% of the reaction fluid fill height. In some embodiments, ψ is less than 90% of the reactant fluid fill height. In some embodiments, ψ is 75% to 80% of the reactant fluid fill height.

各剪断混合装置は、除去された反応流体に合成ガス気泡を導入するように設計される。理論に束縛されるものではないが、本発明の実施形態によって提供される高い液体速度及び小さい初期気泡サイズでの徹底的な混合は、合成ガスの気泡合体を最小限にし、剪断による気泡サイズの縮小を促進し、反応ゾーン全体にわたって気液分布及び温度を均一にする。小さな合成ガス気泡のそれら自体の自然な浮力による動きは、液体の粘性及び液体塊の乱流によって相殺される。同様に、非撹拌反応ゾーンが第1の反応ゾーンの上方にある場合、2つのゾーンを分離する格子又は有孔板などの透過性物理障壁まで上昇してこれを越える自然浮力は、液体の粘性及び液体塊の乱流によって相殺される。過度に大きな気泡はあまりにも急速に上昇するため、ガスの停滞が少なくなり、分布が不均一になる。一部の実施形態では、剪断混合装置によって生成される気泡の平均サイズは、10ナノメートル~3,000ミクロンであり得る。一部の実施形態では、剪断混合装置によって生成される気泡の平均は、3ミクロン~3,000ミクロンである。一部の実施形態では、剪断混合装置によって生成される気泡の平均は、30ミクロン~3,000ミクロンである。一部の実施形態では、剪断混合装置によって生成される気泡の平均サイズは、100ミクロン~800ミクロンである。 Each shear mixing device is designed to introduce synthesis gas bubbles into the removed reaction fluid. Without being bound by theory, the high liquid velocity and thorough mixing with small initial bubble size provided by embodiments of the present invention minimize synthesis gas bubble coalescence and reduce bubble size due to shear. Facilitates shrinkage and uniformity of gas-liquid distribution and temperature throughout the reaction zone. The movement of small syngas bubbles due to their own natural buoyancy is offset by the viscosity of the liquid and the turbulence of the liquid mass. Similarly, if the unstirred reaction zone is above the first reaction zone, the natural buoyancy force rising up to and crossing a permeable physical barrier, such as a grid or perforated plate, separating the two zones is due to the viscosity of the liquid. and is offset by the turbulence of the liquid mass. Excessively large bubbles will rise too quickly, resulting in less gas stagnation and uneven distribution. In some embodiments, the average size of the bubbles produced by the shear mixing device can be between 10 nanometers and 3,000 microns. In some embodiments, the bubbles produced by the shear mixing device average between 3 microns and 3,000 microns. In some embodiments, the average bubble size produced by the shear mixing device is between 30 microns and 3,000 microns. In some embodiments, the average size of the bubbles produced by the shear mixing device is between 100 microns and 800 microns.

反応流体が戻される方法は、提供される混合エネルギーの有効性に影響する。一部の実施形態では、反応流体は、配管の末端部に設置された1つ以上の分流器プレートを有する配管を使用して戻され、反応器の再循環戻りノズルを通して挿入されてそれに取り付けられてもよい。一部の実施形態では、反応流体は、以下で更に説明するように、配管の末端部に配置されたノズル又はフローオリフィスを使用して戻され、反応器の再循環戻りノズルを通して挿入されてそれに取り付けられる。各々の場合において、得られた液体ジェットの速度は、ノズル又はオリフィスの流れ面積、又は分流器プレートと配管の内壁との間に作られる流れ面積、及び戻される反応流体の質量流量と密度の関数である。流れ面積と流速の組み合わせにより、反応器内の反応流体のジェットが生じ、それが運動量を与え、反応器内のバルク流体の気液混合及び液液混合を引き起こす。更に、戻される反応流体は分割され、複数の方向に向けられる。 The manner in which the reaction fluids are returned affects the effectiveness of the mixing energy provided. In some embodiments, the reactant fluid is returned using piping that has one or more flow divider plates installed at the end of the piping and inserted through and attached to the recirculation return nozzle of the reactor. You can. In some embodiments, the reactant fluid is returned using a nozzle or flow orifice located at the end of the piping and inserted through the recirculation return nozzle of the reactor and into it, as described further below. It is attached. In each case, the velocity of the resulting liquid jet is a function of the flow area of the nozzle or orifice, or the flow area created between the diverter plate and the inner wall of the piping, and the mass flow rate and density of the returned reaction fluid. It is. The combination of flow area and flow rate creates a jet of reactant fluid within the reactor, which imparts momentum and causes gas-liquid and liquid-liquid mixing of the bulk fluid within the reactor. Furthermore, the returned reaction fluid is split and directed in multiple directions.

「分流器」という用語は、本明細書では、反応器再循環戻り管内に配置されたノズルと分流器プレートの両方を包含する。いずれの場合でも、分流器は、戻される反応流体の流れを方向付ける。以下で更に説明するように、一部の実施形態では、分流器は、戻される反応流体の流れを水平に向ける。一部の実施形態では、分流器は、戻される反応流体の流れを垂直に向ける。一部の実施形態では、分流器は、戻される反応流体の流れを水平及び垂直の両方に方向付ける。管の端部に配置された分流器プレートを含む分流器は、参照により本明細書に組み込まれる国際公開第2018/236823号に更に詳細に記載されている。 The term "flow divider" herein encompasses both nozzles and flow divider plates located within the reactor recycle return pipe. In either case, the flow divider directs the flow of the returned reaction fluid. As described further below, in some embodiments, the flow divider directs the flow of the returned reaction fluid horizontally. In some embodiments, the flow divider directs the flow of the returned reaction fluid vertically. In some embodiments, the flow divider directs the flow of the returned reaction fluid both horizontally and vertically. Flow dividers comprising a flow divider plate located at the end of a tube are described in further detail in WO 2018/236823, which is incorporated herein by reference.

一部の実施形態では、ノズルの上又は下の水平ドーナツバッフルが、ジェットからの反応器内の流れ又はチャネリング効果を軽減するために使用される。ドーナツバッフルは、反応器壁に沿ったチャネリング流を分流させるように機能する中央開口部を有する、反応器壁に固定された平坦なリングプレートである。そのような水平ドーナツバッフルの配置の非限定的な例を、図1(参照番号14)、図2(参照番号110)及び図4(参照番号210)に示す。図2に示すように、ドーナツバッフル110は、反応器壁から距離(γ)だけ延びる。一部の実施形態では、ドーナツバッフルは、反応器の直径の5%~25%である距離(γ)だけ反応器壁から延びる。一部の実施形態では、反応器内のドーナツバッフルの垂直位置も重要であり得る。図2に示すように、ドーナツバッフル110は、反応器の底からの特定の高さ(λ)に配置される。一部の実施形態では、ドーナツバッフルは、反応流体充填高さの90%以下である反応器の底からの高さ(λ)に配置されてもよい。ジェットとして反応器に入る反応流体からの流れ又はチャネリング効果の可能性を最小限に抑えるために、他の手法を使用してもよい(例えば、図1のドーナツバッフル14及び図4のドーナツバッフル210の位置を参照されたい)。 In some embodiments, horizontal donut baffles above or below the nozzle are used to reduce flow or channeling effects in the reactor from the jet. A donut baffle is a flat ring plate fixed to the reactor wall with a central opening that functions to divert the channeling flow along the reactor wall. Non-limiting examples of such horizontal donut baffle arrangements are shown in FIG. 1 (reference number 14), FIG. 2 (reference number 110) and FIG. 4 (reference number 210). As shown in FIG. 2, donut baffle 110 extends a distance (γ) from the reactor wall. In some embodiments, the donut baffle extends from the reactor wall a distance (γ) that is between 5% and 25% of the reactor diameter. In some embodiments, the vertical position of the donut baffle within the reactor may also be important. As shown in FIG. 2, the donut baffle 110 is placed at a particular height (λ) from the bottom of the reactor. In some embodiments, the donut baffle may be placed at a height from the bottom of the reactor (λ) that is 90% or less of the reaction fluid fill height. Other techniques may be used to minimize the potential for flow or channeling effects from the reactant fluid entering the reactor as a jet (e.g., donut baffle 14 in FIG. 1 and donut baffle 210 in FIG. 4). (Please refer to the location).

図1に示す実施形態などの一部の実施形態では、反応流体は、第1の反応ゾーンから反応器の底にある生成物出口ノズル3を通る。このような実施形態では、反応器は、反応器の底部容積内に配置されたガス同伴防止手段8を含むことができる。このような手段は、同伴分離器、円錐形凝集器、1つ以上の有孔板、又は充填床の形態であり得る。充填床8を図1に示す。このようなガス同伴手段8は、ジェットが下方に傾斜している場合に特に望ましいが、再循環ポンプが小さな同伴ガス気泡に耐えることができる場合には不要であってもよい。 In some embodiments, such as the embodiment shown in FIG. 1, the reaction fluid passes from the first reaction zone through a product outlet nozzle 3 at the bottom of the reactor. In such embodiments, the reactor may include gas entrainment prevention means 8 located in the bottom volume of the reactor. Such means may be in the form of an entrained separator, a conical condenser, one or more perforated plates, or a packed bed. A packed bed 8 is shown in FIG. Such gas entrainment means 8 are particularly desirable when the jet is downwardly inclined, but may be unnecessary if the recirculation pump can tolerate small entrained gas bubbles.

一部の実施形態では、単一の反応器が複数の反応ゾーンを含む場合、有孔仕切板を反応ゾーン間に配置することができる。例えば、図1に示すように、第1の反応ゾーン1Aからの反応流体は、有孔仕切板10を上方に通過して第2の反応ゾーン1Bに入る。有孔仕切板10は、第2の反応ゾーン1B内に上昇する反応流体が均一となり、継続的な反応のためにかなりの量の合成ガスが確実に含まれるようにするのに役立ち得る。これは、反応物が非常に均一であり、拡散が制限されないという点で、気泡反応器、プラグフロー反応器、及び充填カラム反応器にとって特に望ましい。 In some embodiments, when a single reactor includes multiple reaction zones, perforated dividers can be placed between the reaction zones. For example, as shown in FIG. 1, the reaction fluid from the first reaction zone 1A passes upward through the perforated partition plate 10 and enters the second reaction zone 1B. The perforated partition plate 10 may help ensure that the reaction fluid rising into the second reaction zone 1B is homogeneous and contains a significant amount of synthesis gas for continued reaction. This is particularly desirable for bubble reactors, plug flow reactors, and packed column reactors in that the reactants are highly homogeneous and diffusion is not restricted.

図1に示す実施形態では、第2の有孔仕切板12が、第2の反応ゾーン1Bを第3の反応ゾーン1Cから分離する。 In the embodiment shown in FIG. 1, a second perforated partition plate 12 separates the second reaction zone 1B from the third reaction zone 1C.

効果的であるためには、有孔仕切板の穿孔は、上昇する流体を反応器の断面にわたって均一に分散させるように均一に分布しているべきである。プラグフロー反応器又は充填床カラム反応器では、穿孔は、各管又はカラムが同じ流体流を得るように流れを方向付けるべきである。有孔仕切板又はトレイの設計は、当該技術分野で周知である。典型的な有孔仕切板/トレイの多孔率は、15~40%(好ましくは20~30%)であり、穿孔が表面全体に均一に分布しているべきである。穿孔は均一であってもよいし、典型的には1/8インチ~2インチの範囲の同等の孔直径の異なる直径を有していてもよい。孔は、円形、正方形、スロット、又は他の形状であってもよく、追加の特徴(例えば、皿穴、隆起穴など)を有してもよいが、有孔仕切板の下に大量のガスを蓄積するものではない必要がある。一部の実施形態では、ワイヤメッシュ又は同様の堅固に支持された材料を、有孔仕切板の代替として使用してもよい。 To be effective, the perforations in the perforated partition should be evenly distributed to evenly distribute the rising fluid across the cross section of the reactor. In plug flow reactors or packed bed column reactors, the perforations should direct the flow so that each tube or column gets the same fluid flow. Perforated divider or tray designs are well known in the art. Typical perforated dividers/trays should have a porosity of 15-40% (preferably 20-30%), with perforations evenly distributed over the surface. The perforations may be uniform or have different diameters with equivalent hole diameters typically ranging from 1/8 inch to 2 inches. The holes may be circular, square, slotted, or other shapes, and may have additional features (e.g., countersinks, raised holes, etc.), but do not allow large amounts of gas to flow under the perforated partition. It must not be something that accumulates. In some embodiments, wire mesh or similar rigidly supported materials may be used as an alternative to perforated dividers.

垂直のバッフルを第1の反応ゾーンの内壁に取り付けて、容器の壁から半径方向の流線を剪断して持ち上げることにより、更なる混合を提供し、回転流を最小限としてもよい。 Vertical baffles may be attached to the interior walls of the first reaction zone to shear and lift radial streamlines from the walls of the vessel to provide additional mixing and minimize rotational flow.

図1に戻ると、最終反応ゾーン1Cには、反応流体を次の反応器又は生成物-触媒分離ゾーン(図示せず)に運ぶための反応器出口9が存在する。 Returning to FIG. 1, in the final reaction zone 1C there is a reactor outlet 9 for conveying the reaction fluid to the next reactor or product-catalyst separation zone (not shown).

加えて、複数の反応器が直列に配置される実施形態では、反応器1からの任意選択のガスパージ流14が排出され、広がり、プラント燃料ガスヘッダ又は別の反応器に送られてもよい。このパージ流14の分析は、反応制御のために上部反応ゾーン内のCO分圧を測定する便利な手段を提供することができる。 Additionally, in embodiments where multiple reactors are arranged in series, the optional gas purge stream 14 from reactor 1 may be discharged, spread out, and sent to a plant fuel gas header or another reactor. Analysis of this purge stream 14 can provide a convenient means of measuring the CO partial pressure in the upper reaction zone for reaction control.

図1には示されていないが、システムには、ポンプ、熱交換器、冷却コイル、バルブ、レベルセンサ、温度センサ、及び圧力センサなどの、当業者が容易に認識して実装できる他の標準的な機器の部品も含まれる。 Although not shown in Figure 1, the system may include other standard components that can be readily recognized and implemented by those skilled in the art, such as pumps, heat exchangers, cooling coils, valves, level sensors, temperature sensors, and pressure sensors. It also includes parts for mechanical equipment.

一部の実施形態では、1つ以上のノズルを通して第1の反応ゾーンに戻される除去された反応流体は、総混合エネルギー密度の少なくとも50%を第1の反応ゾーンに提供することができる。一部の実施形態では、1つ以上のノズルを通して第1の反応ゾーンに戻される除去された反応流体は、総混合エネルギー密度の少なくとも85%を第1の反応ゾーンに提供することができる。一部の実施形態では、戻される反応流体は、総混合エネルギー密度の実質的に全て又は100%を第1の反応ゾーンに提供することができる。総混合エネルギー密度は、動作中の撹拌器(存在する場合)、戻される反応流体のジェット、又はその他の混合エネルギー密度源によって提供される混合エネルギーを含むが、合成ガス、オレフィン、又はその他の反応物を反応器に導入することによって提供される僅少な混合エネルギー密度のいずれも含まれないことを理解されたい。例えば、第1の反応ゾーンから後続の反応ゾーンを通る(例えば、存在する場合には仕切板を透過して通る)液体反応流体の液圧流によって供給されるいくらかの僅少な混合エネルギー密度が存在するが、これも含まれない。戻される反応流体によって生成される液体ジェットが混合エネルギー密度の実質的に全て又は100%を提供する実施形態では、反応器は撹拌器を含まないか、又は動作していない撹拌器を含む。 In some embodiments, the removed reaction fluid returned to the first reaction zone through one or more nozzles can provide at least 50% of the total mixing energy density to the first reaction zone. In some embodiments, the removed reaction fluid returned to the first reaction zone through one or more nozzles can provide at least 85% of the total mixing energy density to the first reaction zone. In some embodiments, the returned reaction fluid can provide substantially all or 100% of the total mixing energy density to the first reaction zone. The total mixing energy density includes the mixing energy provided by the operating agitator (if present), jets of returned reactant fluids, or other mixing energy density sources, but does not include the mixing energy provided by the operating agitator (if present), jets of returned reactant fluids, or other sources of mixing energy density, but It should be understood that any of the insignificant mixing energy densities provided by introducing the substances into the reactor are not included. For example, there is some negligible mixing energy density provided by the hydraulic flow of liquid reaction fluid from a first reaction zone through a subsequent reaction zone (e.g., through a divider, if present). However, this is not included. In embodiments where the liquid jet produced by the returned reaction fluid provides substantially all or 100% of the mixing energy density, the reactor does not include an agitator or includes an inactive agitator.

撹拌器が存在し、動作する場合、撹拌器からの混合エネルギー密度の寄与は、以下の式:
P=Npg×ρN
(式中、Npgは、インペラのガス化(gassed)動力数、ρは反応流体の密度、Nは撹拌器の回転速度(rev/s)、Dはインペラの直径である)を用いて計算することができる。
If an agitator is present and operating, the mixing energy density contribution from the agitator is given by the following equation:
P=N pg ×ρN 3 D 5
(In the formula, N pg is the gassed power number of the impeller, ρ is the density of the reaction fluid, N is the rotational speed of the stirrer (rev/s), and D is the diameter of the impeller.) can do.

驚くべきことに、本明細書に記載の剪断混合装置を使用することにより、反応流体の同じレベルの気液混合及び液液混合を提供しながら、撹拌器を動作させることなく、ヒドロホルミル化反応器の動作を可能にすることができることが分かった。戻される反応流体の流量を増加させることにより、撹拌器を作動させることなく安定した動作を可能にし、液化反応流体への優れたガス分散を容易にすることができる。本発明の一部の実施形態は、撹拌器モータ、撹拌器シール、撹拌器シャフト/インペラ、定常軸受又は同様の撹拌器関連の問題がある場合に、撹拌器を使用せずに反応器内で適切な混合を提供することにより、ユニットをシャットダウンして修理を行うことができるようになるまで、撹拌器を有する反応器の連続動作を可能にすることができ、そうして計画外の生産損失を回避できるという利点を有する。換言すれば、後付けの場合は、本発明の一部の実施形態は、既存の撹拌器を動作させずに、及び/又は反応器の動作を継続させながら修理することを可能にし得る。新しい反応器の場合、本発明の一部の実施形態は、撹拌器のコスト、並びにメンテナンス/交換を必要とする撹拌器シール及び安定したベアリングの必要性を有利に排除でき、シール漏れを排除できる。 Surprisingly, by using the shear mixing device described herein, the hydroformylation reactor can be heated without operating an agitator while providing the same level of gas-liquid and liquid-liquid mixing of the reaction fluids. It turns out that it is possible to make the operation possible. Increasing the flow rate of the returned reaction fluid can allow stable operation without activating the agitator and facilitate better gas dispersion into the liquefied reaction fluid. Some embodiments of the invention can be used in a reactor without the use of an agitator when there are agitator motors, agitator seals, agitator shafts/impellers, stationary bearings or similar agitator-related issues. Providing proper mixing can allow continuous operation of a reactor with an agitator until the unit can be shut down and repairs can be made, thus eliminating unplanned production losses. It has the advantage of avoiding In other words, for retrofits, some embodiments of the present invention may allow existing agitators to be repaired without operation and/or while the reactor continues to operate. For new reactors, some embodiments of the present invention can advantageously eliminate the cost of agitators and the need for agitator seals and stable bearings that require maintenance/replacement, and can eliminate seal leaks. .

ここで、本発明の一部の実施形態を以下の実施例において詳細に説明する。 Some embodiments of the invention will now be described in detail in the following examples.

本実施例では、計算流体力学(「CFD」)ツールを使用して、3つの設計の性能が評価された。比較例Aは、機械的撹拌器を使用した先行技術の代表例である。本発明の実施例1及び2は、機械的撹拌器なしで剪断混合装置を利用する本発明の実施形態を表す。目的は、従来の機械的に撹拌される設計(比較例A)に対する、本発明の撹拌器を含まない設計(本発明の実施例1及び本発明の実施例2)の性能基準に関する同等性及び/又は改善を示すことである。本実施例では、CFDを使用して、(a)混合効率(すなわち、混合時間)、(b)ガス分散(すなわち、ガス体積分率及び全体的なガス停滞の均一性)、(c)脱気(すなわち、底部再循環ライン内のガスの体積%)、及び(d)質量移動(すなわち、第1の反応ゾーン内の質量移動係数(KLa)の平均値)に関して性能を評価した。 In this example, the performance of three designs was evaluated using computational fluid dynamics ("CFD") tools. Comparative Example A is representative of the prior art using a mechanical stirrer. Examples 1 and 2 of the invention represent embodiments of the invention that utilize a shear mixing device without a mechanical stirrer. The objective was to determine the comparability and performance criteria of the agitator-free designs of the present invention (Inventive Example 1 and Inventive Example 2) with respect to the conventional mechanically agitated design (Comparative Example A). / or to show improvement. In this example, CFD was used to evaluate (a) mixing efficiency (i.e., mixing time), (b) gas dispersion (i.e., uniformity of gas volume fraction and overall gas stagnation), and (c) desorption. (i.e., the volume percent of gas in the bottom recirculation line); and (d) mass transfer (i.e., the average value of the mass transfer coefficient (KLa) in the first reaction zone).

合成ガス分散の重要性
いくつかの理由から、反応器内に高度にかつ十分に分散された合成ガスを有することが重要である。反応流体に分散及び溶解されている合成ガスのみが反応できるため、反応器に導入された合成ガスは、気泡として気液界面に上昇する代わりに反応流体に迅速に分散及び溶解され、反応器の蒸気空間から外れて入り、反応に使用できなくなる。更に、合成ガスが分散又は溶解されていない反応器内の容積は、反応物が欠乏しているため、反応又は反応器の生産性に寄与しない。したがって、高度に分散され(高いガスの停滞又はガス分率)且つ均一なガス混合が最も望ましい結果である。
Importance of Syngas Dispersion It is important to have highly and well-dispersed syngas within the reactor for several reasons. Only synthesis gas that is dispersed and dissolved in the reaction fluid can react, so the synthesis gas introduced into the reactor is quickly dispersed and dissolved in the reaction fluid instead of rising to the gas-liquid interface as bubbles, and It enters the vapor space and becomes unusable for the reaction. Additionally, the volume within the reactor in which syngas is not dispersed or dissolved does not contribute to the reaction or reactor productivity because it is starved of reactants. Therefore, highly dispersed (high gas stagnation or gas fraction) and uniform gas mixing is the most desirable outcome.

CFDにおける有効性の評価方法
本発明の混合特性を評価するためには、CFDモデリングからガス分布を調べて、ガス分布の均一性とガス負荷の範囲の両方を特定することが便利である。十分に撹拌されたCSTR反応器を用いた商業上の経験では、ガス負荷値は5~12%の範囲である。CFDモデリングプログラムを使用して、反応器全体での全体又は平均のガス負荷値を予測できるが、これにより、ガス負荷が高い又は低い領域と滞留時間が短い領域の局所的な影響が強調を弱められる場合がある(例えば、配管の入口/出口、近くの撹拌器インペラなど)。
Method for Evaluating Effectiveness in CFD To evaluate the mixing properties of the present invention, it is convenient to examine the gas distribution from CFD modeling to determine both the uniformity of the gas distribution and the range of gas loading. Commercial experience with well-stirred CSTR reactors is that gas loading values range from 5 to 12%. CFD modeling programs can be used to predict overall or average gas loading values across the reactor, which de-emphasizes the local effects of areas of high or low gas loading and short residence times. (e.g. piping inlet/outlet, nearby agitator impeller, etc.)

混合の有効性:混合時間θmix
・十分に混合されたシステムの場合、混合時間θmixは、典型的には平均液体滞留時間θresの10%未満~20%であるべきである。(以下を参照されたい:Paul,E.L.,V.A.Atiemo-Obeng及びS.M.Kresta,eds.2004.Handbook of Industrial Mixing:Science and Practice.John Wiley & Sons,Inc.)。
・本CFDシミュレーションでは、各実施例における第1の反応ゾーンについて、混合時間θmixを評価した。
・周知のトレーサ注入法を実施した。シミュレーションを、最初にトレーサなしで実行した。定常状態に達してから、トレーサを新鮮な供給物の入口に連続的に注入し、その濃度を第1の反応ゾーンで追跡した。各シミュレーション時間ステップにおいて、変動係数(CoV)を、濃度の、その体積平均に対する体積標準偏差として評価した。
・混合時間を、CoVが5%に達する流動時間として定義した。
Mixing effectiveness: mixing time θ mix
- For well-mixed systems, the mixing time θ mix should typically be less than 10% to 20% of the average liquid residence time θ res . (See: Paul, E. L., V. A. Atiemo-Obeng and S. M. Kresta, eds. 2004. Handbook of Industrial Mixing: Science and Practice. John Wiley & Sons, I nc.).
- In this CFD simulation, the mixing time θ mix was evaluated for the first reaction zone in each example.
・A well-known tracer injection method was implemented. The simulation was first run without tracer. After reaching steady state, the tracer was continuously injected into the fresh feed inlet and its concentration was followed in the first reaction zone. At each simulation time step, the coefficient of variation (CoV) was evaluated as the volume standard deviation of the concentration relative to its volume average.
- Mixing time was defined as the flow time to reach 5% CoV.

ガス分散:ガス体積分率及び全体的なガス停滞の均一性
・本発明の混合特性を評価するために、CFDモデリングからガス分布を調べて、ガス分布の均一性とガス負荷の程度の両方を特定することが便利である。
・十分に撹拌されたCSTR反応器を用いた商業上の経験では、ガス負荷値は5~12%の範囲である。
Gas distribution: uniformity of gas volume fraction and overall gas stagnation To evaluate the mixing properties of the present invention, gas distribution was investigated from CFD modeling to determine both the uniformity of gas distribution and the degree of gas loading. It is convenient to specify.
- Commercial experience with well-stirred CSTR reactors is that gas loading values range from 5 to 12%.

脱気:底部再循環ライン内のガスの体積%
・反応容器の底部出口は、典型的には、流体を再循環させるために使用される遠心ポンプに通じる。
・合成ガスの気泡は、十分に小さい場合、出口に同伴される場合がある。同伴が十分に大きい場合、ガスの存在がポンプを損傷させる場合がある。
・安全なポンプ動作のためには、底部再循環ライン内のガス体積分率を3%未満~5%に保つことが不可欠である。
・CFDモデリングでは、この体積分率を追跡し、この値を各事例について報告した。
Degassing: Volume % of gas in the bottom recirculation line
- The bottom outlet of the reaction vessel typically leads to a centrifugal pump used to recirculate fluids.
- Synthesis gas bubbles may be entrained at the outlet if they are small enough. If the entrainment is large enough, the presence of gas can damage the pump.
- For safe pump operation, it is essential to keep the gas volume fraction in the bottom recirculation line below 3% to 5%.
- CFD modeling tracked this volume fraction and reported this value for each case.

質量移動:
・ヒドロホルミル化システムなどの気液システムの反応の全体的な有効性は、合成ガス成分(CO及びH2)が液相に移動する速度に基づく。
・任意の反応ゾーンにおける液相への合成ガスの質量移動速度は、その反応ゾーンにおける質量移動係数(kLa)の平均値に正比例する。
・本実施例では、第1の反応ゾーンにおける質量移動係数(KLa)の平均値を直接得るためにCFDモデリングを使用した。この目的のために、文献に十分に記載されている方法を使用した。Gimbun,Reilly and Nagy「Modelling of mass transfer in gas-liquid stirred tanks agitated by Rushton turbine and CD-6 impeller:A scale-up study」Chemical engineering research and design 87(2009)437-451を参照されたい。
・同じ動作条件及び供給条件で同じ気液反応を行う2つの反応器の性能を同等とするためには、全体の体積KLa値は同等であるべきである。概して、より高いKLa値が好ましい。
Mass transfer:
- The overall effectiveness of the reaction in a gas-liquid system, such as a hydroformylation system, is based on the rate at which the syngas components (CO and H2) are transferred to the liquid phase.
- The mass transfer rate of synthesis gas into the liquid phase in any reaction zone is directly proportional to the average value of the mass transfer coefficient (kLa) in that reaction zone.
- In this example, CFD modeling was used to directly obtain the average value of the mass transfer coefficient (KLa) in the first reaction zone. For this purpose, methods well described in the literature were used. Gimbun, Reilly and Nagy "Modeling of mass transfer in gas-liquid stirred tanks agitated by Rushton turbine and CD-6 impell er: A scale-up study,” Chemical engineering research and design 87 (2009) 437-451.
- In order to equalize the performance of two reactors carrying out the same gas-liquid reaction under the same operating and feeding conditions, the overall volume KLa values should be equivalent. Generally, higher KLa values are preferred.

動作条件及びパラメータ
実施例の各々について、以下の動作条件及びパラメータを使用した。動作圧力はおよそ15バール(絶対圧)である。この圧力で、液体プロピレンの密度は約775kg/mであり、合成ガスの密度は約9.06kg/mである。各実施例の合成ガス及び液体プロピレンの供給流量も表1に示す。液体プロピレンの粘度は3.8×10-4Pa.s、合成ガスの粘度は1.8×10-5Pa.sとする。合成ガスと液体プロピレンの間の気液表面張力は、同様の有機物の典型的な値に合わせて、18ダイン/cm(0.018N/m)とする。
Operating Conditions and Parameters The following operating conditions and parameters were used for each of the examples. The operating pressure is approximately 15 bar (absolute). At this pressure, the density of liquid propylene is approximately 775 kg/m 3 and the density of syngas is approximately 9.06 kg/m 3 . Table 1 also shows the feed flow rates of synthesis gas and liquid propylene for each example. The viscosity of liquid propylene is 3.8×10 −4 Pa. s, the viscosity of the synthesis gas is 1.8×10 −5 Pa.s. Let it be s. The gas-liquid surface tension between the syngas and liquid propylene is 18 dynes/cm (0.018 N/m), in line with typical values for similar organics.

比較例A
元の反応器は、直径5.5メートル、円筒形部分の高さ10メートルの機械的に撹拌されるタンクであり、2つの同一の2:1半楕円体のヘッドによって上部及び下部がキャップされた。タンクの容積は、2つの水平バッフルによって3つの反応ゾーン(下から上に1~3の番号が付けられている)に垂直に分割された。バッフルは、タンクと同じ直径及び直径0.7メートルの単一の中央オリフィスを有する同一のステンレス鋼板である。加えて、タンクには、反応器壁に沿って90°間隔で配置された4つの同一の垂直バッフルが取り付けられた。
Comparative example A
The original reactor was a mechanically stirred tank with a diameter of 5.5 meters and a height of 10 meters in the cylindrical section, capped at the top and bottom by two identical 2:1 semi-ellipsoidal heads. Ta. The tank volume was vertically divided into three reaction zones (numbered 1-3 from bottom to top) by two horizontal baffles. The baffle is an identical stainless steel plate with the same diameter as the tank and a single central orifice 0.7 meters in diameter. Additionally, the tank was fitted with four identical vertical baffles spaced 90° apart along the reactor wall.

合成ガスを、第1の反応ゾーン(下接線の0.2m上方)及び第2の反応ゾーン(下部水平バッフルの0.2m上方)に位置する2つの同一のリングスパージャを使用して導入した。撹拌器は、3つのインペラ、すなわち、底部区画内の標準的なガス分配タービンと、第2及び第3の反応ゾーン内の2つのハイドロフォイルとを取り付けたシャフトである。撹拌器は89rpmで動作する。 Synthesis gas was introduced using two identical ring spargers located in the first reaction zone (0.2 m above the lower tangent) and the second reaction zone (0.2 m above the lower horizontal baffle). The agitator is a shaft fitted with three impellers: a standard gas distribution turbine in the bottom compartment and two hydrofoils in the second and third reaction zones. The stirrer operates at 89 rpm.

反応器本体と同心の脱気リングが、底部再循環ノズルの周りの底部皿状ヘッドに取り付けられた。 A degassing ring concentric with the reactor body was attached to the bottom dished head around the bottom recirculation nozzle.

表1に、反応器の寸法及び流量を要約する。 Table 1 summarizes the reactor dimensions and flow rates.

本発明の実施例1
反応器寸法(直径及びL/D)は、比較例Aと同一である。撹拌器は存在せず、代わりに第1の反応ゾーンに入る再循環ジェットを使用して混合及びガス分散を実施した。加えて、比較例Aに対して以下の他の変更を行った。
1.液体再循環流量を16倍に増加させた。
2.ガス導入及び気泡サイズ:スパージャリングを取り外した。ここで、合成ガスを、各々が再循環入口ノズルのすぐ上流に位置する2つの剪断混合装置を使用して再循環流に直接導入した。これらの剪断混合装置は、300ミクロンの平均気泡直径でガスを反応器に導入するように設計された。剪断混合装置の詳細は、実施例セクションの最後の剪断混合装置の部分に記載されている。
3.水平バッフル:比較例Aの設計の水平バッフルを、ステンレス鋼有孔板に置き換えた。これらの板は、二相(気液)反応流体が底部区画から中間区画まで上方に垂直に通過することを可能にするために、20%の開口領域を有する。
4.ノズル:再循環入口ノズルからウェッジインサートを取り外した。各再循環入口ノズルは、端部に湾曲部を備え、それにより、
a.気液ジェットが、20度の垂直角(α)(反応器の中心軸に沿って下向き)及び30度の方位角(β)(反応器の中心軸を中心に反時計回り)で入り、
b.ノズル直径を、標準的な円錐形のレジューサ(12インチ×7インチ)を使用して、端部で7インチの公称サイズに縮小させ、
c.二相ジェットが第1の反応ゾーンに入るノズル開口を、反応器の下接線の2.52m上方、かつ反応容器の内壁から半径方向内側に0.45mの高さ(δ)に配置した。
5.内部の脱気:脱気リングを取り外した。その場所に、空隙率36%及び全高1.375mの充填床を設置した。
6.内部:第2の反応ゾーンへのガスのチャネリングを防止するために、ドーナツバッフルを第1の反応ゾーンに追加した。幅0.59mのドーナツバッフルを、下接線の2m上方に配置した。
7.底部再循環ノズル:ノズルサイズを元のサイズの16インチから22インチに上げて、反応器から出る液体速度を低下させた。
Example 1 of the present invention
Reactor dimensions (diameter and L/D) are the same as in Comparative Example A. There was no stirrer; instead, a recirculating jet entering the first reaction zone was used to perform mixing and gas dispersion. In addition, the following other changes were made to Comparative Example A.
1. Liquid recirculation flow rate was increased by a factor of 16.
2. Gas introduction and bubble size: The sparger ring was removed. Here, syngas was introduced directly into the recycle stream using two shear mixers, each located just upstream of the recycle inlet nozzle. These shear mixers were designed to introduce gas into the reactor with an average bubble diameter of 300 microns. Details of the shear mixing device are described in the shear mixing device section at the end of the Examples section.
3. Horizontal Baffle: The horizontal baffle of the Comparative Example A design was replaced with a stainless steel perforated plate. These plates have a 20% open area to allow the two-phase (gas-liquid) reaction fluid to pass vertically upward from the bottom compartment to the middle compartment.
4. Nozzle: Removed wedge insert from recirculation inlet nozzle. Each recirculation inlet nozzle includes a bend at the end, thereby
a. The gas-liquid jet enters at a vertical angle (α) of 20 degrees (downward along the central axis of the reactor) and an azimuthal angle (β) of 30 degrees (counterclockwise about the central axis of the reactor);
b. reducing the nozzle diameter to a nominal size of 7 inches at the end using a standard conical reducer (12 inches x 7 inches);
c. The nozzle opening through which the two-phase jet entered the first reaction zone was located at a height (δ) 2.52 m above the lower tangent of the reactor and 0.45 m radially inward from the inner wall of the reaction vessel.
5. Internal degassing: Degassing ring was removed. A packed bed with a porosity of 36% and a total height of 1.375 m was installed in its place.
6. Internal: A donut baffle was added to the first reaction zone to prevent channeling of gas to the second reaction zone. A donut baffle with a width of 0.59 m was placed 2 m above the lower tangent.
7. Bottom recirculation nozzle: The nozzle size was increased from the original size of 16 inches to 22 inches to reduce the liquid velocity exiting the reactor.

表2は、本発明の実施例1の様々な寸法及び他のパラメータを要約したものである。 Table 2 summarizes various dimensions and other parameters of Example 1 of the present invention.

前述のように、図2は、反応器内のノズルの配向及び位置を特徴付けるための様々なパラメータを定義する。表3は、本発明の実施例1及び実施例2について、これらのパラメータの値を提供するものである。 As mentioned above, FIG. 2 defines various parameters for characterizing the orientation and position of the nozzle within the reactor. Table 3 provides the values of these parameters for Examples 1 and 2 of the present invention.

本発明の実施例2
本発明の実施例2は、以下の変更を除いて、本発明の実施例1と同じである。
1.内部の脱気:充填床を除去した。その場所で、3枚の水平有孔板の積層体を使用した。開口面積分率は、30%(上層板)、20%(中間層板)、15%(下層板)である。板間の間隙は0.25mである。
Example 2 of the present invention
Example 2 of the present invention is the same as Example 1 of the present invention except for the following changes.
1. Internal degassing: the packed bed was removed. In its place, a stack of three horizontal perforated plates was used. The opening area fractions are 30% (upper layer plate), 20% (middle layer plate), and 15% (lower layer plate). The gap between the plates is 0.25 m.

結果
CFDモデリングの結果を表4A及び表4Bに示す。
Results The results of the CFD modeling are shown in Tables 4A and 4B.

表4に示すように、本発明の実施例1及び2は、機械的撹拌器を有していないにもかかわらず、比較例Aに対して同等の性能(例えば、混合時間、KLa、及び再循環ライン内のガスの体積%)を有する。本発明の実施例1及び2はまた、著しく低い電力消費(P/Vを参照)を有する。 As shown in Table 4, Examples 1 and 2 of the present invention had comparable performance (e.g., mixing time, KLa, and volume % of the gas in the circulation line). Examples 1 and 2 of the invention also have significantly lower power consumption (see P/V).

図5及び図6は、比較例A並びに本発明の実施例1及び2についてのガス体積分率色分け図及びKLa色分け図を示している。図5に示すように、本発明の実施例は、非常に均一なガス体積分率を有する。 5 and 6 show gas volume fraction color-coded diagrams and KLa color-coded diagrams for Comparative Example A and Examples 1 and 2 of the present invention. As shown in FIG. 5, embodiments of the invention have very uniform gas volume fractions.

剪断混合装置
本発明の実施例1及び2で使用した剪断混合装置は、米国特許第5,845,993号に記載されているタイプのものである。各装置は、有孔表面によって分離された単一(又は複数)の乱流液体流と接触する加圧ガス導管又はチャンバからなる。ガスは、液体流によって生成される剪断応力によって駆動されて、穿孔を通って液体流に入る。
Shear Mixing Device The shear mixing device used in Examples 1 and 2 of the present invention is of the type described in US Pat. No. 5,845,993. Each device consists of a pressurized gas conduit or chamber in contact with a single (or multiple) turbulent liquid stream separated by a perforated surface. Gas enters the liquid stream through the perforations, driven by the shear stress generated by the liquid stream.

本発明の実施例1及び2について、図3aに示すように、剪断混合装置は、液体流を運ぶ内部チャネルから構成される。これには、加圧ガス入口に接続された外側同心ジャケットが取り付けられた。外側ジャケットによって包まれた内側チャネルの一部分は、多数の穿孔により有孔である。これらの穿孔は、外側ジャケットからのガスが、小さな気泡から構成される液体中ガス分散体の形態で内側チャネル内の液体流に入る場所である。本発明の実施例1及び2では、液体は反応器から除去された反応流体であり、ガスは合成ガスである。 For Examples 1 and 2 of the present invention, as shown in Figure 3a, the shear mixing device is composed of internal channels carrying liquid flow. This was fitted with an outer concentric jacket connected to a pressurized gas inlet. A portion of the inner channel enclosed by the outer jacket is perforated by multiple perforations. These perforations are where gas from the outer jacket enters the liquid flow within the inner channel in the form of a gas-in-liquid dispersion composed of small air bubbles. In Examples 1 and 2 of the invention, the liquid is the reaction fluid removed from the reactor and the gas is synthesis gas.

剪断混合装置は、300ミクロンの平均気泡サイズを提供するように構成された。この平均気泡サイズを提供するための剪断混合装置における寸法及び流量を表5に示す。 The shear mixing device was configured to provide an average cell size of 300 microns. The dimensions and flow rates in the shear mixing device to provide this average cell size are shown in Table 5.

Claims (16)

ヒドロホルミル化反応方法であって、
(a)反応器内の均一触媒の存在下でオレフィン、水素、及び一酸化炭素を接触させて反応流体を提供することであって、前記反応器は1つ以上の反応ゾーンを含む、ことと、
(b)前記反応流体の一部分を第1の反応ゾーンから除去することと、
(c)前記除去された反応流体の少なくとも一部分を剪断混合装置に通して、前記除去された反応流体の一部分の中に気泡を生成することであって、前記反応器に提供される水素及び一酸化炭素の少なくとも一部分が前記剪断混合装置を通して導入される、ことと、
(d)前記除去された反応流体を、1つ以上のノズルを通して第1の反応ゾーンに戻すことであって、各ノズルから出る前記戻される反応流体はジェットである、ことと、
を含み、
前記ジェットによって前記反応器に提供される混合エネルギー密度が、以下の式:
(式中、Vは、第1の反応ゾーン内の前記反応流体の体積(m)であり、Nは、各ジェットがi=1からi=N(1刻み)までの自然数を使用して一意に識別されるように第1の反応ゾーンに戻されるジェットの総数であり、ρは、i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される前記反応流体のノズルポートにおける平均密度(kg/m)であり、Qは、i番目のジェットを通って第1の反応ゾーンに戻される前記反応流体の体積流量(m/s)であり、Aは、前記反応流体が流れるi番目のノズルの、前記反応流体が前記ノズルを出て第1の反応ゾーンに入る位置での断面積(m)である)
を満たす、
方法。
A hydroformylation reaction method, comprising:
(a) contacting an olefin, hydrogen, and carbon monoxide in the presence of a homogeneous catalyst in a reactor to provide a reaction fluid, the reactor comprising one or more reaction zones; ,
(b) removing a portion of the reaction fluid from the first reaction zone;
(c) passing at least a portion of the removed reaction fluid through a shear mixing device to generate gas bubbles in the portion of the removed reaction fluid, the hydrogen and hydrogen provided to the reactor at least a portion of the carbon oxide is introduced through the shear mixing device;
(d) returning the removed reaction fluid to the first reaction zone through one or more nozzles, the returned reaction fluid exiting each nozzle being a jet;
including;
The mixing energy density provided to the reactor by the jet is determined by the following equation:
(where V is the volume of the reaction fluid in the first reaction zone (m 3 ) and N is the volume of the reaction fluid in the first reaction zone (m 3 ), and N is is the total number of jets returned to the first reaction zone to be uniquely identified, and ρ i is the average density ( kg/m 3 ), Q i is the volumetric flow rate (m 3 /s) of the reaction fluid returned to the first reaction zone through the i-th jet, and A i is the volumetric flow rate (m 3 /s) of the reaction fluid returned to the first reaction zone through the i-th jet. is the cross-sectional area (m 2 ) of the i-th flowing nozzle at the location where the reaction fluid exits the nozzle and enters the first reaction zone)
satisfy,
Method.
前記剪断混合装置を通る前記反応流体の流量が、以下:
SM>525(μ/ρ)PSM
(式中、qSMは、前記剪断混合装置に入る前記反応流体の流量(m/s)であり、ρは、前記剪断混合装置に入る前の前記反応流体の密度(kg/m)であり、μは、前記剪断混合装置に入る前の前記反応流体の粘度(Pa・s)であり、PSMは、前記剪断混合装置内部の液体流の断面の最小湿潤周囲長である)
を満たす、請求項1に記載の方法。
The flow rate of the reaction fluid through the shear mixing device is:
q SM >525 (μ oo ) P SM
(where q SM is the flow rate (m 3 /s) of the reaction fluid entering the shear mixing device, and ρ o is the density (kg/m 3 ) of the reaction fluid before entering the shear mixing device. ), μ o is the viscosity (Pa·s) of the reaction fluid before entering the shear mixing device, and P SM is the minimum wetted perimeter of the cross section of the liquid flow inside the shear mixing device. )
The method according to claim 1, wherein the method satisfies the following.
少なくとも2つのノズルが、前記除去された反応流体を前記反応器に戻し、各ノズルは、水平面に対する前記ノズルの角度(アルファ)が+75°~-75°であるように配向され、アルファ、前記反応器の中心を通る垂直面に対する前記ノズルの角度(ベータ)、及びベータがゼロである場合に前記反応器の中心を通る前記垂直面からの距離(ファイ)が全て非ゼロである、請求項1又は2に記載の方法。 At least two nozzles return the removed reaction fluid to the reactor, each nozzle oriented such that the angle (alpha) of the nozzle with respect to a horizontal plane is between +75° and −75°, and alpha, the 1 . The angle of the nozzle with respect to a vertical plane passing through the center of the reactor (beta) and the distance from the vertical plane passing through the center of the reactor (phi) when beta is zero are all non-zero. Or the method described in 2. 水素及び一酸化炭素が合成ガスとして提供され、第1の反応ゾーンに提供される合成ガスの少なくとも20%が、第1の反応ゾーンに入る前に前記剪断混合装置を通過する、請求項1~3のいずれか一項に記載の方法。 Hydrogen and carbon monoxide are provided as synthesis gas, and at least 20% of the synthesis gas provided to the first reaction zone passes through the shear mixing device before entering the first reaction zone. 3. The method according to any one of 3. 水素及び一酸化炭素が合成ガスとして提供され、前記合成ガスの少なくとも一部分が、第1の反応ゾーンの反応流体充填高さの50%未満の高さでスパージャを通して前記円筒型の反応器内に導入される、請求項1~4のいずれか一項に記載の方法。 hydrogen and carbon monoxide are provided as synthesis gas, and at least a portion of the synthesis gas is introduced into the cylindrical reactor through a sparger at a height less than 50% of the reaction fluid filling height of the first reaction zone. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein: 前記反応器は、前記反応器の内壁に取り付けられた水平に配向されたリングバッフルを含み、前記リングバッフルは、第1の反応ゾーン内の液体反応流体の高さの90%未満の高さに配置され、前記リングバッフルの中実部分が、前記反応器の直径の5~30%に及ぶ、請求項1~5のいずれか一項に記載の方法。 The reactor includes a horizontally oriented ring baffle attached to an inner wall of the reactor, the ring baffle having a height that is less than 90% of the height of the liquid reaction fluid in the first reaction zone. A method according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid part of the ring baffle extends from 5 to 30% of the diameter of the reactor. 前記円筒型の反応器内に配置された撹拌器を更に含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 6, further comprising a stirrer located within the cylindrical reactor. 前記撹拌器及び前記戻される反応流体は、前記円筒型の反応器内に混合エネルギー密度を提供する、請求項7に記載の方法。 8. The method of claim 7, wherein the agitator and the returned reaction fluid provide a mixing energy density within the cylindrical reactor. 前記撹拌器は動作しない、請求項7に記載の方法。 8. The method of claim 7, wherein the agitator is not activated. 前記反応器は垂直に配向される、請求項1~9のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any one of claims 1 to 9, wherein the reactor is vertically oriented. 前記反応器は第2の反応ゾーンを更に含み、前記反応流体は、配管なしで第1の反応ゾーンから第2の反応ゾーンに流れる、請求項1~10のいずれか一項に記載の方法。 A method according to any preceding claim, wherein the reactor further comprises a second reaction zone, and the reaction fluid flows from the first reaction zone to the second reaction zone without piping. 第1の反応ゾーンと第2の反応ゾーンとは、有孔板によって分離される、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, wherein the first reaction zone and the second reaction zone are separated by a perforated plate. 前記反応器は第3の反応ゾーンを更に含み、前記反応流体は、配管なしで第2の反応ゾーンから第3の反応ゾーンに流れる、請求項11又は12に記載の方法。 13. The method of claim 11 or 12, wherein the reactor further comprises a third reaction zone, and the reaction fluid flows from the second reaction zone to the third reaction zone without piping. 第2の反応ゾーンと第3の反応ゾーンとは、有孔板によって分離される、請求項13に記載の方法。 14. The method of claim 13, wherein the second reaction zone and the third reaction zone are separated by a perforated plate. 前記剪断混合装置によって生成される前記気泡の平均気泡サイズが、10ナノメートル~3,000ミクロンである、請求項1~14のいずれか一項に記載の方法。 15. A method according to any preceding claim, wherein the bubbles produced by the shear mixing device have an average cell size of 10 nanometers to 3,000 microns. 前記反応器は、前記反応器の下部分に配置された生成物出口ノズルを含み、前記反応器は、前記反応器の底部容積内に配置された、ガス同伴を防止するための手段を含む、請求項1~15のいずれか一項に記載の方法。 the reactor comprises a product outlet nozzle located in the lower part of the reactor, the reactor comprising means for preventing gas entrainment located in the bottom volume of the reactor; A method according to any one of claims 1 to 15.
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